KR20190017462A - 고분자 복합 재료를 활용한 3d 입체물의 제조 로봇 시스템 - Google Patents

고분자 복합 재료를 활용한 3d 입체물의 제조 로봇 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제조 로봇 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자 복합 재료로 활용한 3차원 입체물의 제조 로봇 시스템에 관한 것이다.
실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 투입구를 통해 투입되는 고분자 복합 재료의 이동 경로를 제공하고, 상기 이동 경로를 따라 이동하는 상기 고분자 복합 재료를 열 처리하는 오븐; 상기 오븐의 배출구로부터 배출되는 상기 고분자 복합 재료를 제공받고, 상기 고분자 복합 재료를 토출하는 토출구를 갖는 헤드; 및 상기 오븐과 상기 헤드 사이에 배치되고, 상기 고분자 복합 재료가 상기 오븐의 투입구로부터 상기 헤드의 토출구까지 이동하는 이동 거리를 일정하게 유지시키는 이송장치;를 포함한다.

Description

고분자 복합 재료를 활용한 3D 입체물의 제조 로봇 시스템{THREE-DIMENSIONAL PRODUCT USING POLYMER COMPOSITE MATERIAL AND MANUFACTURING ROBOT SYSTEM THEREOF}
본 발명은 제조 로봇 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자 복합 재료로 구성된 3차원 입체물의 제조 로봇 시스템에 관한 것이다.
최근, 플라스틱 복합소재를 이용하여 강도와 내구성을 보강하기 위한 내부 보강재(reinforcement)를 제조하는 기술이 이용되고 있다. 적층 가공(additive manufacturing) 장치 및 폴리머/복합재의 내부 보강재와 같은 내부 골격 제조 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이를 이용하면, 경량 복합 소재 입체물의 원재료 사용량은 줄이면서도 기계적 성능을 높일 수 있다는 점에서 3D 프린팅이나 3D 몰딩이 각광받고 있다. 특히, 적층 가공 속도도 개선되어 자동화 공정의 일부로서 기능할 수 있게 되었다.
적층 가공은 자동차, 항공기, 전자제품, 가전제품(consumer electronics), 스포츠 용품(sporting goods), 건축소재 등 다양한 분야에서 이용되고 있지만, 제조의 정교성, 원가 절감, 제조 공정과 설비의 단순화 등 선결해야 할 과제가 아직 많다. 특히, 3D 프린팅이나 3D 몰딩에 의한 제품의 성능을 좌우하는 원재료의 강성과 내구성 향상에 대한 연구가 매우 필요한 상황이다.
적층 가공 장치(3D 프린터 등)는 가늘고 기다란 원재료의 토출 방향, 각도 및 위치를 제어하면서 원하는 형상의 제품을 형성한다. 제품의 정교한 형성을 위해서는 원재료가 적층 가공 장치에 의해 자유롭게 제어(투입에서 토출까지)될 수 있어야 한다. 또한, 최종 형성되는 제품의 성능을 위해, 원재료의 강성과 내구성이 뛰어나야 한다. 하지만, 상술한 선결 과제를 해결하면서, 강성과 내구성까지 확보할 수 있는 원재료에 대한 연구나 개발이 아직은 미진한 상태이다.
또한, 강성과 내구성이 뛰어난 원재료를 이용하여 3D 입체물을 제조하는 로봇 시스템도 미진한 상태이다.
한국 공개특허 10-2015-0042660(공개일자 2015년 04월 21일)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고분자 복합 재료로 구성된 3D 입체물의 제조 로봇 시스템을 제공한다.
또한, 3D 입체물의 대량 생산이 가능한 3D 입체물의 제조 로봇 시스템을 제공한다.
또한, 고분자 복합 재료가 투입되는 오븐의 투입구로부터 고분자 복합 재료가 토출되는 헤드의 토출구까지의 거리를 일정하게 유지할 수 있는 3D 입체물의 제조 로봇 시스템을 제공한다.
또한, 고분자 복합 재료의 장력을 일정하게 유지시킬 수 있는 3D 입체물의 제조 로봇 시스템을 제공한다.
또한, 소형의 사이즈 또는 두께가 얇은 3D 입체물을 제조할 수 있는 3D 입체물의 제조 로봇 시스템을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 일 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 투입구를 통해 투입되는 고분자 복합 재료의 이동 경로를 제공하고, 상기 이동 경로를 따라 이동하는 상기 고분자 복합 재료를 열 처리하는 오븐; 상기 오븐의 배출구로부터 배출되는 상기 고분자 복합 재료를 제공받고, 상기 고분자 복합 재료를 토출하는 토출구를 갖는 헤드; 및 상기 오븐과 상기 헤드 사이에 배치되고, 상기 고분자 복합 재료가 상기 오븐의 투입구로부터 상기 헤드의 토출구까지 이동하는 이동 거리를 일정하게 유지시키는 이송장치;를 포함한다.
여기서, 상기 이송장치는 상기 고분자 복합 재료의 장력을 일정하게 유지시킬 수 있다.
여기서, 상기 이송장치는, 상기 오븐과 상기 헤드 사이를 지나는 제1 축을 따라 직선 왕복 운동하고, 상기 오븐 내부에서 이동하는 상기 고분자 복합 재료의 이동 방향을 전환시키고, 상기 고분자 복합 재료의 이동 거리를 일정하게 유지시키기 위한 유지부; 및 상기 제1 축을 따라 직선 왕복 운동하고, 상기 헤드를 상기 제1 축을 따라 직선 왕복 운동시키고, 상기 유지부에 의해 방향 전환된 상기 고분자 복합 재료를 상기 제1 축 방향과 수직한 제2 축 방향으로 전환하는 이동부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 이송장치는, 상기 제1 축을 따라 배치되고, 상기 유지부와 상기 이동부가 장착된 레일;을 더 포함하고, 상기 유지부는, 상기 레일에 장착된 제1 부재; 상기 유지부의 제1 부재에 연결된 일측부와 상기 오븐의 배출구를 통해 상기 오븐 내부에 배치된 타측부를 포함하는 제2 부재; 및 상기 유지부의 제2 부재에 배치되고 상기 고분자 복합 재료의 이동 방향을 상기 제1 축 방향으로 전환시키는 제3 부재;를 포함하고, 상기 이동부는, 상기 레일에 장착되고 상기 헤드가 장착된 제1 부재; 상기 이동부의 제1 부재에 연결된 일측부와 상기 오븐의 배출구를 통해 상기 오븐 내부에 배치된 타측부를 포함하는 제2 부재; 및 상기 이동부의 제2 부재에 배치되고 상기 유지부의 제3 부재에 의해서 방향 전환된 상기 고분자 복합 재료를 상기 제2 축 방향으로 전환시키는 제3 부재;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고분자 복합 재료는, 고분자 화합물과 섬유재를 포함하는 심재, 상기 심재를 둘러싸는 섬유층, 및 상기 섬유층을 둘러싸는 코팅층을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고분자 복합 재료는, 고분자 화합물과 섬유재를 포함하는 심재, 상기 심재를 둘러싸는 코팅층, 및 상기 코팅층을 둘러싸는 섬유층을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 이송장치는, 상기 고분자 복합 재료가 상기 오븐의 배출구에서 배출되는 방향을 따라 상기 헤드와 상기 오븐을 직선 왕복 운동시킬 수 있다.
여기서, 상기 이송장치는, 상기 오븐과 상기 헤드 사이를 지나는 제1 축을 따라 직선 왕복 운동하고, 상기 오븐 내부에서 이동하는 상기 고분자 복합 재료의 이동 방향을 전환시키고, 상기 고분자 복합 재료의 이동 거리를 일정하게 유지시키기 위한 유지부; 상기 제1 축을 따라 직선 왕복 운동하고, 상기 헤드를 상기 제1 축을 따라 직선 왕복 운동시키고, 상기 유지부에 의해 방향 전환된 상기 고분자 복합 재료를 상기 제1 축 방향과 수직한 제2 축 방향으로 전환하는 제1 이동부; 상기 유지부와 상기 제1 이동부를 상기 제2 축을 따라 직선 왕복 운동 시키는 제2 이동부; 및 상기 오븐을 상기 제2 축을 따라 직선 왕복 운동 시키는 제3 이동부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 헤드 아래에 배치되고, 상기 헤드의 토출구를 통해 토출되는 상기 고분자 복합 재료에 의해서 성형되는 3D 입체물이 놓여지는 다수의 테이블을 포함하고, 상기 다수의 테이블은 상기 제2 축을 따라 서로 교차하면서 직선 왕복 운동할 수 있다.
여기서, 상기 헤드 아래에 배치되고, 상기 헤드의 토출구를 통해 토출되는 상기 고분자 복합 재료에 의해서 성형되는 다수의 3D 입체물이 놓여지는 테이블을 포함하고, 상기 테이블은 회전축을 따라 회전가능한 턴 테이블일 수 있다.
실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 투입구를 통해 투입되는 고분자 복합 재료의 이동 경로를 제공하고, 상기 이동 경로를 따라 이동하는 상기 고분자 복합 재료를 열 처리하는 오븐; 상기 오븐의 배출구로부터 배출되는 상기 고분자 복합 재료를 제공받고, 상기 고분자 복합 재료를 토출하는 토출구를 갖고, 상하 운동, 로테이팅 운동 및 틸팅 운동이 가능한 헤드; 상기 헤드 아래에 배치되고, 전후좌우 운동이 가능하며, 3D 입체물이 성형되는 상면을 포함하는 지그; 및 상기 헤드와 상기 지그를 둘러싸고, 투명 또는 불투명 재질을 갖는 커버;를 포함한다.
여기서, 상기 고분자 복합 재료가 상기 오븐의 투입구로부터 상기 헤드의 토출구까지 이동하는 이동 거리가 일정할 수 있다.
본 발명에 따른 고분자 복합 재료로 구성된 3D 입체물 제조 로봇 시스템을 사용하면, 다양한 형상의 3D 입체물을 생산할 수 있는 이점이 있다.
또한, 3D 입체물을 대량 생산할 수 있는 이점이 있다.
또한, 고분자 복합 재료가 투입되는 오븐의 투입구로부터 고분자 복합 재료가 토출되는 헤드의 토출구까지의 거리를 일정하게 유지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 고분자 복합 재료의 장력을 일정하게 유지시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 일 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템에 사용되는 고분자 복합 재료의 일 예이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템에 사용되는 고분자 복합 재료의 다른 일 예이다.
도 4 내지 도 5는 도 1에 도시된 오븐(130)의 외부 케이스(135)를 제거한 경우의 3D 입체물 제조 로봇(100)의 사시도이다.
도 6은 트러스 구조를 갖는 3D 입체물의 일 예이다.
도 7은 도 6에 도시된 트러스 구조를 갖는 3D 입체물의 일부에 몰딩을 한 일 예를 보여준다.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100')의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템의 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템을 다른 각도에서 바라본 사시도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템의 사시도이다.
도 13은 도 12에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템에서 일부 구성을 제거한 후의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템에 대해 상세히 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 본 발명을 이해하기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 구조, 사용, 응용 방식을 한정하려는 의도를 갖지 않는다. 본 발명의 실시예에 대한 설명은 첨부된 도면과 연관되어 이해할 수 있고, 첨부된 도면은 본 발명에 대한 설명의 일부로 간주될 수 있다.
도 1은 본 발명에 일 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 일 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템은 3D 입체물 제조 로봇(100)을 포함하고, 재료 공급 장치(700)를 더 포함할 수 있다. 설명의 편의상 재료 공급 장치(700)를 3D 입체물 제조 로봇(100)보다 먼저 설명한다.
재료 공급 장치(700)는 고분자 복합 재료(50)를 3D 입체물 제조 로봇(100)으로 공급한다. 이를 위해, 재료 공급 장치(700) 내부에 고분자 복합 재료(50)를 장착한다. 내부에 장착된 고분자 복합 재료(50)는 롤 형상으로 말려서 재료 공급 장치(700) 내부에 설치될 수 있다.
재료 공급 장치(700)는 둘 이상의 고분자 복합 재료(50)들을 3D 입체물 제조 로봇(100)으로 공급할 수도 있다.
재료 공급 장치(700)는 외부 제어 신호에 따라 하나 이상의 고분자 복합 재료(50)를 3D 입체물 제조 로봇(100)으로 자동으로 공급할 수 있다. 또한, 재료 공급 장치(700)는 3D 입체물 제조 로봇(100)이 열처리된 고분자 복합 재료(50)를 토출함에 따라 하나 이상의 고분자 복합 재료(50)를 3D 입체물 제조 로봇(100)으로 수동으로 공급할 수 있다.
재료 공급 장치(700)에서 공급하는 고분자 복합 재료(50)는, 고분자 재료(polymer material) 또는 복합 재료(composite material)의 연속적으로 이어진 스트랜드(strand), 얀(yarn), 고분자 복합 재료(tow), 번들(bundle), 밴드(band), 테이프(tape) 등이다. 고분자 재료로는 PLA, PE, PP, PA, ABS, PC, PET, PEI, PEEK 등의 열가소성 수지(thermoplastics) 혹은 에폭시(epoxy), 불포화 폴리에스터 수지(unsaturated polyester), PI, PUR 등의 열경화성 수지(thermosetting resins)일 수 있다. 고분자 물질은 이에 한정되지 않는다. 여기서, 보강재(reinforcing fibers)는 GF(glass fiber), CF(carbon fiber), NF(natural fiber), AF(aramid fiber) 등일 수 있다. 또한, 복합 재료는 상기 고분자 재료에 섬유를 혼합한 것으로, 상기 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 보론 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 아라미드 섬유, 각종 휘스커(whisker) 또는 이들의 조합일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
고분자 복합 재료(50)의 다른 구체적인 예를 도 2 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템에 사용되는 고분자 복합 재료의 일 예이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템에 사용되는 고분자 복합 재료의 다른 일 예이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 고분자 복합 재료(50, 50')는 심재(52)와 심재(52)를 둘러싸는 섬유층(54)과 코팅층(56)을 포함한다.
도 2에 도시된 고분자 복합 재료(50)는, 심재(52)를 섬유층(54)이 둘러싸고, 섬유층(54)을 코팅층(56)이 둘러싸는 구조이고, 도 3에 도시된 고분자 복합 재료(50')는 심재(52)를 코팅층(56)이 둘러싸고, 코팅층(56)을 섬유층(54)이 둘러싸는 구조인 점에서 차이가 있다.
도 2와 도 3에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')에서의 심재(52)는 고분자 화합물과 섬유재 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
고분자 화합물은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고분자 화합물은 폴리 젖산(PolyLactic Acid; PLA), 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE), 폴리프로필렌(PolyPropylene; PP), 폴리아미드(PolyAmide; PA), 에이비에스(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene; ABS), 폴리메타크릴산메칠(Poly Methyl MethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate; PET), 폴리부틸렌테레프탈레이드(PolyButylene Terephthalate; PBT), 폴리에테르이미드(PolyEtherImide; PEI), 폴리페닐렌설파이드(PolyPhenylene Sulfide; PPS), 폴리에텔에텔케톤(PolyEtherEtherKetone; PEEK), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate; EVA), 폴리우레탄(PolyUrethane; PU), 에폭시(EPoxy; EP), 불포화 폴리에스터(Unsaturated Polyester; UP), 폴리이미드(PolyImide; PI), 페놀릭(PHenolic; PF) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
섬유재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 점조화 유체 섬유, 형상 기억 합금 섬유, 광 섬유, 압전 섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 고분자 화합물과 혼합되었을 때 섬유재는 고분자 화합물의 보강재일 수 있다. 어떤 섬유재는 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 몇몇의 층들로 코팅될 수 있다. 이 경우, 섬유재는 작은 직경을 갖는 케이블의 구조를 가질 수 있다.
심재(52)의 형태는 스트랜드 형태뿐만 아니라 밴드 형태 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 심재(52)의 형태는 연속적으로 이어진 스트랜드, 얀, 고분자 복합 재료, 번들, 밴드, 테이프 등의 형태와 실질적으로 동일할 수 있다. 심재(220)는 일방향성을 가질 수 있다.
예를 들어, 심재(52)는 일방향 스트랜드일 수 있다. 이를 위해 심재(52)는 예열된 재료 스트랜드를 압밀함으로써 형성될 수 있다. 즉, 심재(52)는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 재료 스트랜드를 소정의 온도에서 압밀함으로써 형성될 수 있다. 재료 스트랜드는 크릴 유닛이 구비한 적어도 하나의 보빈에 감길 수 있다. 실시예에 따라, 서로 다른 물질을 포함하는 2 이상의 재료 스트랜드들이 하나의 보빈에 감길 수 있다. 보빈은 재료 스트랜드를 정렬시킬 수 있고, 재료 스트랜드를 보관할 수 있다. 재료 스트랜드는 보빈에서 풀려나올 수 있고, 풀려나온 재료 스트랜드는 예열 유닛의 예열 위치로 공급될 수 있다. 예열 위치에서 재료 스트랜드는 기 설정된 온도로 예열될 수 있다. 여기서 기 설정된 온도는 재료 스트랜드가 압축 및 압밀되기에 충분한 온도일 수 있다. 재료 스트랜드는 예열 유닛에 의해 기 설정된 온도로 예열될 수 있고, 예열된 재료 스트랜드는 압축 유닛에 공급될 수 있다. 예열된 재료 스트랜드는 압밀될 수 있다. 기 설정된 온도를 갖는 재료 스트랜드는 압축 유닛에 의해 2 이상이 함께 압축 및 압밀될 수 있다. 예열 및 압밀 과정을 거치는 동안, 재료 스트랜드는 2 이상이 서로 합쳐질 수 있다. 그 결과, 일방향성을 갖는 심재(52)가 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 구성 물질이 서로 다른 재료 스트랜드가 서로 합쳐질 수 있다. 이 경우, 형성된 심재(52)는 2 이상의 물질을 포함할 수 있다.
도 2와 도 3에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')에서의 섬유층(54)은 섬유재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유층은 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 점조화 유체 섬유, 형상 기억 합금 섬유, 광 섬유, 압전 섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 어떤 섬유재는 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 몇몇의 층들로 코팅될 수 있다. 이 경우, 섬유재는 작은 직경을 갖는 케이블 구조를 가질 수 있다. 심재(52)에 포함된 섬유재와 섬유층(54)에 포함된 섬유재는 실질적으로 서로 동일할 수 있지만, 심재(52)에 포함된 섬유재와 섬유층(54)에 포함된 섬유재는 실질적으로 상이할 수 있다.
섬유층(54)은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유층(54)은 폴리 젖산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 에이비에스, 폴리메타크릴산메칠, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에텔에텔케톤, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리우레탄, 에폭시, 불포화 폴리에스터, 폴리이미드, 페놀릭 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
섬유층(54)은 편조 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 편조 유닛에 의해 심재(52) 상에 편조될 수 있다. 여기서, 편조 유닛은 섬유재를 감고 있는 다수의 보빈을 구비할 수 있고, 보빈은 동일 원주 상에 소정의 간격을 두고 배치될 수 있다. 심재(52)가 원주 상의 중심을 통과할 때, 다수의 보빈은 회전함과 동시에 원주를 따라 이동할 수 있다. 이 때, 섬유재는 보빈으로부터 풀려나올 수 있고, 풀려나온 섬유재는 심재(52) 상에 편조됨으로써 편조 구조가 형성될 수 있다. 이렇게 편조된 섬유층(54)은 심재(52)가 방사상으로 가하는 압력(strain)이나 부하(load)를 견딜 수 있는 충분한 강성(rigidity/strength)을 가질 수 있다.
도 2와 도 3에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')에서의 코팅층(56)은 고분자 화합물을 포함할 수 있다. 여기서, 고분자 화합물은 코팅 폴리머(coating polymer)를 포함할 수 있다. 코팅 폴리머는 고분자 복합 재료(50)를 기초로 형성될 입체물을 결합시키기에 적절한 유동적 특성(rheological characteristic)을 가질 수 있다. 즉, 코팅 폴리머는 향후 고분자 복합 재료(50)를 기초로 형성될 입체물이 인접한 물질과 적절한 결합(suitable bonding)을 갖도록 할 수 있다. 이를 위해, 코팅 폴리머는 적절한 화학적 및/또는 물리적 접착력을 갖는 물질 중 하나로 선택될 수 있다. 예를 들어, 형성된 고분자 복합 재료(50)의 표면에 코팅층(160)이 위치하는 도 2에 도시된 실시예에서는 고점성(high viscosity)을 갖는 코팅 폴리머가 선택될 수 있다. 나아가, 코팅 폴리머는 향후 형성될 입체물이 인접한 물질과의 접촉면에서 발생되는 강한 전단력(shear)에도 견딜 수 있도록 선택될 수 있다.
한편, 특정 텍스처(texture)나 구조형태(configuration)가 고분자 복합 재료(50)에 요구된다면, 그립핑 구조(gripping configuration)가 고분자 복합 재료(50)의 표면에 형성될 수 있다. 즉, 코팅층(160)은 그립핑 구조를 포함할 수 있다. 그립핑 구조는 상호간의 기계적 결합력(bonding)을 향상시키는 구조일 수 있다. 예를 들어, 그립핑 구조는 고분자 복합 재료(50)와 후속으로 이루어지는 오버몰딩 재료 사이의 결합력을 향상시킬 수 있다. 코팅 폴리머는 "화학적" 본딩을 제공할 수 있고, 그립핑 구조는 부가적인 "기계적" 본딩을 제공할 수 있다. 그립핑 구조는 고분자 복합 재료(50)의 특정 표면 텍스처나 패턴을 구비할 수 있고, 전체적인 접촉 면적을 증가시킬 수도 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')는 심재(52), 섬유층(54) 및 코팅층(56) 사이의 물리적 상호작용에 기초하여 강성, 내구성 및 충격성 등의 성능을 조절할 수 있다.
다시, 도 1을 참조하여 3D 입체물 제조 로봇(100)을 설명한다.
도 1을 참조하면, 3D 입체물 제조 로봇(100)은 헤드(110), 오븐(130), 지지대(140), 이송장치(150), 테이블(170, 175) 및 테이블 이송장치(190)를 포함할 수 있다.
오븐(130)은 재료 공급 장치(700)로부터 고분자 복합 재료(50)를 제공받고, 제공받은 고분자 복합 재료(50)를 열 처리한다.
오븐(130)은 지지대(140) 상에 장착된다. 지지대(140)는 바닥에 장착되고, 소정 높이를 가지며, 오븐(130)과 이송장치(150)를 지지한다.
오븐(130)은 재료 공급 장치(700)로부터의 하나 또는 다수의 고분자 복합 재료(50)가 투입되는 투입구(131)를 갖는다.
오븐(130)은 열 처리된 고분자 복합 재료(50)가 토출되는 배출구(133)을 갖는다. 배출구(133)는 제1 축(x축)을 따라 길게 형성된다.
오븐(130)의 내부 구조를 설명하기 위해서, 도 4 내지 도 5를 참조한다.
도 4 내지 도 5는 도 1에 도시된 오븐(130)의 외부 케이스(135)를 제거한 경우의 3D 입체물 제조 로봇(100)의 사시도이다. 여기서, 도 4는 헤드(110)가 제1 축(x축) 상에서 좌측으로 가장 멀리 배치된 경우를 보여주고, 도 5는 헤드(110)가 제1 축(x축) 상에서 우측으로 가장 멀리 배치된 경우를 보여준다.
도 1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 오븐(130)은 투입구(313)로 투입되는 고분자 복합 재료(50)의 이동 경로를 제공한다. 고분자 복합 재료(50)의 이동 경로는 투입구(131)와 배출구(133) 사이에 형성된다. 고분자 복합 재료(50)의 이동 경로는 투입구(131)와 배출구(133) 사이에서 적어도 2회 이상 변경된다. 고분자 복합 재료(50)의 이동 경로는 제1 축(x축)과 평행한 제1 이동 경로와 제2 축(z축)과 평행한 제2 이동 경로를 포함한다. 고분자 복합 재료(50)의 이동 경로는 하나 또는 다수의 제1 이동 경로와 하나 또는 다수의 제2 이동 경로가 연결된 것일 수 있다.
오븐(130)은 다수의 히팅부(137)를 포함한다. 다수의 히팅부(137)는 오븐(130) 내의 고분자 복합 재료(50)의 이동 경로 상에 배치되고, 고분자 복합 재료(50)의 이동 경로를 따라 이동하는 고분자 복합 재료(50)에 소정의 열을 가한다.
헤드(110)는 오븐(130)에서 열 처리되어 배출구(133)을 통해 배출되는 고분자 복합 재료(50)를 제공받고, 제공된 고분자 복합 재료(50)를 토출구를 통해 토출한다.
헤드(110)는 오븐(130)의 배출구(133)에서 제2 축(z축) 방향으로 토출되는 고분자 복합 재료(50)를 제공받아 아래로 방향 전환하여 토출한다. 여기서, 헤드(110)의 토출 방향은, 제3 축(y축) 방향의 반대 방향일 수 있다.
헤드(110)는 제1 축(x축)을 따라 직선 왕복 운동한다. 헤드(110)는 이송장치(150)에 장착되어 제1 축(x축)을 따라 직선 왕복 운동할 수 있다.
헤드(110)는 고분자 복합 재료(50)를 토출하는 토출구를 갖는 노즐(111)을 포함할 수 있다. 또한, 헤드(110)는 이송장치(150)에 장착되어 이송장치(150)와 연동하고, 노즐(111)이 장착되며, 고분자 복합 재료(50)를 외부로부터 보호하기 위한 커버부(113)를 더 포함할 수 있다.
이송장치(150)는 오븐(130)과 헤드(110) 사이에 배치되고, 고분자 복합 재료(50)가 오븐(130)의 투입구(131)로부터 헤드(110)의 토출구까지 이동하는 이동 거리를 일정하게 유지시킨다. 또한, 상기 이동 거리 상에서 고분자 복합 재료(50)의 장력이 일정하게 유지되도록 한다.
이송장치(150)는 헤드(110)를 제1 축(x축)을 따라 왕복 이동시킬 수 있다. 이를 위해서, 이송장치(150)는 제1 축(x축)을 따라 지지대(140) 상에 배치되는 레일(151), 및 레일(151)을 따라 제1 축(x축)을 따라 직선 왕복 운동하는 이동부(153)를 포함할 수 있다. 이동부(153)에 헤드(110)가 장착되어 이동부(153)를 따라 헤드(110)가 제1 축(x축)을 따라 직선 왕복 이동할 수 있다.
이송장치(150)의 이동부(153)는 제1 부재(153a), 제2 부재(153b), 및 제3 부재(153c)를 포함할 수 있다.
제1 부재(153a)는 레일(151)에 장착되어 레일(151)을 따라 이동한다. 제1 부재(153a)의 일 측에 헤드(110)의 커버부(113)가 장착될 수 있다.
제2 부재(153b)는 제1 부재(153a)와 연동한다. 따라서, 제2 부재(153b)는 제1 축(x축)을 따라 직선 왕복 운동한다.
제2 부재(153b)의 일측부는 제1 부재(153a)에 연결된다. 제2 부재(153b)의 타측부는 오븐(130) 내부에 배치된다. 제2 부재(153b)의 일측부와 타측부 사이의 일 부분은 오븐(130)의 배출구(133)에 배치된다.
제2 부재(153b)의 직선 왕복 운동의 범위는 오븐(130)의 배출구(133)의 크기에 따라 제한될 수 있다.
이송장치(150)는 고분자 복합 재료(50)가 오븐(130)의 투입구(111)로부터 헤드(110)의 토출구까지 이동하는 이동 거리를 일정하게 유지시키는 유지부(155)를 포함할 수 있다.
이송장치(150)의 유지부(155)는 제1 부재(155a), 제2 부재(155b), 및 제3 부재(155c)를 포함할 수 있다.
제1 부재(155a)는 레일(151)에 장착되어 레일(151)을 따라 이동한다. 제1 부재(155a)는 이동부(153)의 제1 부재(153a)와 함께 레일(151)을 따라 이동한다. 제1 부재(155a)는 이동부(153)의 제1 부재(153a)와 같은 방향으로 소정 간격 떨어져서 이동한다.
제1 부재(155a)는 이동부(153)의 제1 부재(153a)와 같은 형상일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
제2 부재(155b)는 제1 부재(155a)와 연동한다. 따라서, 제2 부재(155b)는 제1 축(x축)을 따라 직선 왕복 운동한다.
제2 부재(155b)의 일측부는 제1 부재(155a)에 연결된다. 제2 부재(155b)의 타측부는 오븐(130) 내부에 배치된다. 제2 부재(155b)의 일측부와 타측부 사이의 일 부분은 오븐(130)의 배출구(133)에 배치된다.
제2 부재(155b)의 직선 왕복 운동의 범위는 오븐(130)의 배출구(133)에 의해 제한될 수 있다.
제2 부재(155b)는 이동부(153)의 제2 부재(153b)와 같은 형상일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
제3 부재(155c)는 제2 부재(155b)의 타측부에 배치되고, 오븐(130) 내부에서 소정의 이동 경로를 따라 이동하는 고분자 복합 재료(50)를 상기 소정의 이동 경로의 역 방향으로 방향 전환시킨다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 제3 부재(155c)는 오븐(130) 내부에서 제1 축(x축) 방향의 이동 경로를 따라 이동하는 고분자 복합 재료(50)를 제1 축(x축) 방향의 반대 방향으로 방향 전환시킨다.
제3 부재(155c)는, 예를 들어, 다수의 롤러를 포함할 수 있다. 다수의 롤러의 각 축이 제2 부재(155b)의 타측부에 장착되고, 다수의 롤러 사이로 오븐(130) 내부에서 열 처리되어 소정의 방향의 이동 경로를 따라 이동 중인 고분자 복합 재료(50)가 투입되면, 열 처리된 고분자 복합 재료(50)가 다수의 롤러에 의해 소정의 방향의 반대 방향으로 방향 전환될 수 있다.
제3 부재(155c)를 통해 제1 축(x축) 방향의 반대 방향으로 전환된 고분자 복합 재료(50)는 이동부(153)의 제3 부재(153c)로 투입되고, 이동부(153)의 제3 부재(153c)는 투입되는 고분자 복합 재료(50)를 제2 축(z축) 방향으로 방향 전환시킨다.
이송장치(150)의 유지부(155)는, 이동부(153)가 제1 축(x축)을 따라 직선 왕복 이동하는 과정에서, 이동부(153)와 함께 이동하되, 소정 간격 떨어져서 이동한다. 여기서, 유지부(155)의 이동은 외부 제어신호에 따라 구동될 수 있고, 소정 간격은 이동부(153)의 위치에 따라 가변될 수 있다. 이렇게 유지부(155)가 이동부(153)를 따라 이동하기 때문에, 오븐(130)의 투입구(111)로부터 고분자 복합 재료(50)가 토출되는 헤드(110)의 토출구까지의 거리를 일정하게 유지하고, 고분자 복합 재료(50)의 장력을 일정하게 유지할 수 있다.
여기서, 유지부(155)의 보상 스크로크(conpensation stroke)의 값은 제1 축(x축) 상의 스트로크(stroke)와 제2 축(z축) 상의 스트로크(stroke)를 더한 값의 절반일 수 있다.
테이블(170, 175)은 헤드(110)에서 토출되는 고분자 복합 재료(50)에 의해 성형되는 3D 입체물(50'')이 각각 놓여질 수 있는 장치이다.
테이블(170, 175)은 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동이 가능하다. 테이블(170, 175)은 테이블 이송장치(190)에 장착되어 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동할 수 있다.
테이블(170, 175)은 하나 또는 다수일 수 있다. 테이블(170, 175)이 하나인 경우, 도면에 도시된 2개의 테이블 중 하나만 사용될 수 있다.
테이블(170, 175)이 다수인 경우, 도면에 도시된 바와 같이, 테이블(170, 175)는 제1 테이블(170)과 제2 테이블(175)을 포함할 수 있다.
제1 테이블(170)과 제2 테이블(175)은 제2 축(z축) 상에 일렬로 배치되어 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동할 수 있다.
제1 테이블(170)과 제2 테이블(175)은 서로 교차 이동할 수 있다. 제1 테이블(170)과 제2 테이블(175)이 서로 교차 이동하기 위해서, 제1 테이블(170)은 제2 테이블(175)이 지나갈 수 있는 공간을 가질 수 있다. 제1 테이블(170)은 제2 테이블(175)보다 더 큰 체적을 가지며, 3D 입체물(50'')이 성형되는 제1 테이블(170)의 상면의 높이도 제2 테이블(175)의 상면의 높이보다 높게 형성될 수 있다.
한편, 도면에 도시되지 않았지만, 테이블(170, 175)은 제3 축(y축)을 따라 직선 왕복 운동이 가능하다. 테이블(170, 175)의 높이가 위 또는 아래로 조절되어 제3 축(y축)을 따라 직선 왕복 운동할 수 있다.
본 발명에 일 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 도 6과 같은 트러스 구조를 갖는 3D 입체물(50'''')을 생산할 수 있다. 상기 트러스 구조를 갖는 3D 입체물(50'''')은 종래의 다른 3D 입체물과 달리 사출 공정이 불필요하거나 3D 입체물(50'''')의 일 부분에만 사출 공정을 수행하여 사출 비용을 줄일 수 있는 이점이 있다. 그 이유는, 상기 트러스 구조를 갖는 3D 입체물(50'''')은 도 2 또는 도 3에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')로 구성될 수 있기 때문이다. 도 2 또는 도 3에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')는 강성이 뛰어나기 때문에, 상기 트러스 구조를 갖는 3D 입체물(50'''') 외부에 사출 공정에 의해 형성되는 몰딩을 형성하지 않아도 된다. 한편, 상기 트러스 구조를 갖는 3D 입체물(50'''') 외부에 몰딩을 형성하더라도, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 트러스 구조를 갖는 3D 입체물(50'''')의 외부 전체에 몰딩(60)을 형성할 필요가 없고, 상기 트러스 구조를 갖는 3D 입체물(50'''')의 외부 중 일부에만 몰딩(60)을 형성해도 된다.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100')의 사시도이다. 도 8은 헤드(110)가 제1 축(x축) 상에서 좌측으로 가장 멀리 배치된 경우를 보여주고, 도 9는 헤드(110)가 제1 축(x축) 상에서 우측으로 가장 멀리 배치된 경우를 보여준다.
도 8 내지 도 9는 도 1에 도시된 재료 공급 장치(700)를 더 포함할 수 있다. 도 8 내지 도 9에 도시된 3D 입체물 제조 로봇(100')은 도 1에 도시된 재료 공급 장치(700)로부터 고분자 복합 재료(50)를 공급받을 수 있다.
도 8 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100')은, 헤드(110), 오븐(130), 지지대(140), 이송장치(150'), 테이블(170') 및 다이 지지대(180)를 포함할 수 있다.
도 8 내지 도 9에 도시된 헤드(110) 및 오븐(130)은, 도 1에 도시된 헤드(110) 및 오븐(130)과 구성과 기능은 동일하지만, 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동이 가능한다는 점에서 도 1에 도시된 헤드(110) 및 오븐(130)과 차이가 있다. 구체적인 내용은 밑에서 후술한다.
도 8 내지 도 9에 도시된 지지대(140)는 도 1에 도시된 지지대(140)와 동일하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
이송장치(150')는 제1 레일(151), 제1 이동부(153), 유지부(155), 한 쌍의 제2 레일(157a, 157b), 한 쌍의 제2 이동부(158a, 158b) 및 한 쌍의 제3 이동부(159a, 159b)를 포함할 수 있다.
제1 레일(151), 제1 이동부(153) 및 유지부(155)는, 도 1에 도시된 레일(151), 이동부(153) 및 유지부(155)와 각각 동일한 구조와 기능을 갖는다. 따라서, 제1 레일(151), 제1 이동부(153) 및 유지부(155)에 대한 구체적인 설명은 앞서 도 1에서 설명한 것으로 대체하고, 추가적인 사항을 이하에서 구체적으로 설명한다.
제1 레일(151)은 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동을 한다. 제1 레일(151)의 양측부 각각이 한 쌍의 제2 이동부(158a, 158b)에 연결되어 한 쌍의 제2 이동부(158a, 158b)의 이동에 의해서 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동할 수 있다.
한 쌍의 제2 레일(157a, 157b)은 지지대(140) 상에 배치되며, 제2 축(z축) 방향으로 배치되고, 서로 떨어져 배치된다.
한 쌍의 제2 이동부(158a, 158b)는 한 쌍의 제2 레일(157a, 157b)에 장착되어 한 쌍의 제2 레일(157a, 157b)을 따라 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동한다. 여기서, 한 쌍의 제2 이동부(158a, 158b) 중 어느 하나는 한 쌍의 제2 레일(157a, 157b) 중 어느 하나에 장착되고, 한 쌍의 제2 이동부(158a, 158b) 중 나머지 하나는 한 쌍의 제2 레일(157a, 157b) 중 나머지 하나에 장착된다.
한 쌍의 제2 이동부(158a, 158b) 중 어느 하나는 제1 레일(151)의 양단부 중 일측부와 연결되고, 나머지 하나는 제1 레일(151)의 타측부와 연결된다. 한 쌍의 제2 이동부(158a, 158b)가 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동하면, 제1 레일(151)도 연동한다.
한 쌍의 제3 이동부(159a, 159b)는 한 쌍의 제2 레일(157a, 157b)에 장착되어 한 쌍의 제2 레일(157a, 157b)을 따라 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동한다. 여기서, 한 쌍의 제3 이동부(159a, 159b) 중 어느 하나는 한 쌍의 제2 레일(157a, 157b) 중 어느 하나에 장착되고, 한 쌍의 제3 이동부(159a, 159b) 중 나머지 하나는 한 쌍의 제2 레일(157a, 157b) 중 나머지 하나에 장착된다.
한 쌍의 제3 이동부(159a, 159b) 상에는 오븐(130)이 배치된다. 따라서, 한 쌍의 제3 이동부(159a, 159b)는 오븐(130)을 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동시킬 수 있다.
한 쌍의 제3 이동부(159a, 159b)는 한 쌍의 제2 이동부(158a, 158b)와 함께 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동할 수 있다. 한 쌍의 제3 이동부(159a, 159b)는 한 쌍의 제2 이동부(158a, 158b)로부터 소정 간격 떨어져 배치된다.
테이블(170')는 헤드(110)에서 토출되는 고분자 복합 재료(50)에 의해 성형되는 3D 입체물(50a'', 50b'', 50c'')이 놓여지는 장치이다. 테이블(170') 상에는 3개 이상의 3D 입체물이 형성될 수 있다.
테이블(170')는 헤드(110) 아래에 배치되고, 제3 축(y축)과 평행한 회전축을 갖고, 회전축을 따라 회전하는 턴 테이블일 수 있다.
테이블(170')는 테이블 지지대(170) 상에 장착되어 고정될 수 있다.
테이블(170')는, 도면에 도시하지 않았지만, 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동이 가능하다. 테이블(170)는 다이 지지대(180)에 장착되어 다이 지지대(180)의 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동에 의해 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동할 수 있다.
한편, 별도의 도면으로 도시하지 않았지만, 테이블(170')과 테이블 지지대(170)는 도 1에 도시된 테이블(170, 175)와 테이블 이송장치(190)을 대체할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템의 사시도이고, 도 11은 도 10에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템을 다른 각도에서 바라본 사시도이다.
도 10 내지 도 11에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 도 1 또는 도 8에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템과 비교하여, 대량 생산에 유리한 이점이 있다.
도 10 내지 도 11에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 도 1에 도시된 재료 공급 장치(700)를 다수로 갖는다. 즉, 도 10 내지 도 11에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 다수의 재료 공급 장치(700a, 700b, 700c)를 포함할 수 있다. 여기서, 도 10 내지 도 11에는 다수의 재료 공급 장치(700a, 700b, 700c)가 3개로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 다수의 재료 공급 장치(700a, 700b, 700c)는 4개 이상일 수 있다.
도 10 내지 도 11에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 3D 입체물 제조 로봇(100'')을 포함한다. 3D 입체물 제조 로봇(100'')은 다수의 헤드(110a, 110b, 110b)과 오븐(130)을 포함한다.
도 1 또는 도 8에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템에서는 하나의 오븐(130)에 하나의 헤드(110)가 장착되지만, 도 10 내지 도 11에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 하나의 오븐(130)에 다수의 헤드(110a, 110b, 110b)가 장착된다.
다수의 헤드(110a, 110b, 110b)는 제1 축(x축)을 따라 직선 왕복 운동할 수 있다. 다수의 헤드(110a, 110b, 110b)는 동시에 동일한 움직임으로 이동할 수 있다.
다수의 헤드(110a, 110b, 110b)는 서로 일정 간격 이격되어 배치되고, 상기 일정 간격을 유지하면서 이동할 수 있다.
다수의 헤드(110a, 110b, 110b)는 다수의 재료 공급 장치(700a, 700b, 700c)와 일대일로 대응할 수 있다.
한편, 도 10 내지 도 11에 도시하지 않았지만, 도 10 내지 도 11에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 도 1에 도시된 레일(151), 이동부(153) 및 유지부(155)를 더 포함할 수 있다. 또한, 도 10 내지 도 11에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 도 8에 도시된 제1 레일(151), 제1 이동부(153), 유지부(155), 한 쌍의 제2 이동부(158a, 158b) 및 한 쌍의 제3 이동부(159a, 159b)를 더 포함할 수 있다.
도 10 내지 도 11에 도시된 오븐(130)은 지지대(140) 상에 장착된 한 쌍의 레일(157a, 157b)에 장착되어 제2 축(z축)을 따라 직선 왕복 운동할 수 있다. 오븐(130)의 직선 왕복 운동에 의해 다수의 헤드(110a, 110b, 110b)도 동시에 동일한 움직임으로 이동할 수 있다.
도 10 내지 도 11에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 도 1에 도시된 테이블(170, 175) 및 테이블 이송장치(190)를 포함할 수 있다. 즉, 도 10 내지 도 11에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템은, 테이블(170'', 175'')과 테이블 이송장치(190')을 포함할 수 있다.
테이블 이송장치(190')는 도 1에 도시된 테이블 이송장치(190)와 차이가 있다. 도 1에 도시된 테이블 이송장치(190)은 제2 축(z축)을 따라 길게 배치되지만, 도 10 내지 도 11에 도시된 테이블 이송장치(190')는 제1 축(x축)을 따라 길게 배치된다. 또한, 도 10 내지 도 11에 도시된 테이블 이송장치(190')는 크기 또는 길이가 증가된 테이블(170'', 175'')이 장착되므로 도 1에 도시된 테이블 이송장치(190)보다 더 길다.
테이블(170'', 175'')은 도 1에 도시된 테이블(170, 175)과 차이가 있다. 도 10 내지 도 11에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템의 3D 입체물 제조 로봇(100'')은 다수의 헤드(110a, 110b, 110c)에서 동시에 다수의 고분자 복합 재료가 배출되기 때문에, 테이블(170'', 175'')은 다수의 3D 입체물(50'')을 한 번에 놓을 수 있도록 도 1에 도시된 테이블(170, 175)보다 더 큰 크기와 길이를 갖는다. 다수의 3D 입체물(50'') 각각이 놓여지는 지그(jig)가 각 테이블(170'', 175'') 상에 배치될 수 있다. 이 때 다수의 지그들 사이의 간격은 다수의 헤드(110a, 110b, 110c) 사이의 간격과 같다.
도 10 내지 도 11에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템을 사용하면, 다수의 3D 입체물(50'')을 한 번에 생산할 수 있어 대량생산에 더욱 용이하다. 한 번에 생산할 수 있는 3D 입체물(50'')의 개수는 도면과 달리 4개 혹은 5개, 그 이상으로 증가시키는 것 또한 가능하다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템의 사시도이고, 도 13은 도 12에 도시된 3D 입체물 제조 로봇 시스템에서 일부 구성을 제거한 후의 사시도이다.
도 12 내지 도 13에 도시된 또 다른 실시 형태에 따른 3D 입체물 제조 로봇 시스템은 3D 입체물 제조 로봇(100''')를 포함한다.
3D 입체물 제조 로봇(100''')은 헤드(110), 커버(120), 커버 다이(125), 오븐(130) 및 지지대(140)를 포함할 수 있다.
커버 다이(125) 상에 지그(80)가 배치된다.
지그(80)는 커버 다이(125) 상에서 전후좌우 방향으로 이동가능하다. 즉, 지그(80)는 제2 축(z축) 방향, 제2 축(z축)의 반대 방향, 제1 축(x축) 방향, 제1 축(x축)의 반대 방향으로 이동한다. 지그(80)의 이동에 의해, 지그(80)에서 성형되는 또는 성형중인 3D 입체물(55)이 지그(80)와 함께 연동할 수 있다. 지그(80)의 상면 상에 3D 입체물(55)가 성형된다.
3D 입체물 제조 로봇(100''')은 지그(80)를 전후좌우 방향으로 이동시키기 위해서, 제1 축 레일(129)와 제2 축 레일(127)을 포함한다.
제1 축 레일(129)은 제1 축(x축)을 따라 배치되고, 제2 축 레일(127)을 제2 축(z축)을 따라 배치된다. 제1 축 레일(129)와 제2 축 레일(127)은 서로 교차하여 배치되고, 어느 하나가 다른 하나 상에 배치될 수 있다. 제1 축 레일(129)와 제2 축 레일(127)은 커버 다이(125) 상에 배치된다.
커버(120)는 커버 다이(125) 상에 배치되고, 헤드(110), 지그(80) 및 3D 입체물(55) 등을 둘러싼다. 커버(120)는 외부에서 내부가 확인될 수 있도록 투명 또는 반투명 재질일 수 있다. 커버(120)는 지그(80) 상에 성형 중인 3D 입체물(55)에 외부 이물질이 포함되지 않도록 보호하는 역할을 할 수 있다.
지지대(140)는 커버 다이(125)와 커버(120) 일 측에 인접하여 배치되고, 지지대(140) 상에 오븐(130)이 배치된다.
오븐(130)은 지지대(140) 상에 고정 장착될 수 있다. 오븐(130)으로 고분자 복합 재료가 투입된다. 투입되는 고분자 복합 재료는 도 1에 도시된 재료 공급 장치(700)에서 공급되는 것일 수 있다.
헤드(110)는 오븐(130)으로부터 열 처리된 고분자 복합 재료를 공급받아 지그(80) 상에 토출한다.
헤드(110)는 커버(120) 내부에 배치되고, 커버(120) 내부에서 상하 운동이 가능한다. 즉, 헤드(110)는 제3 축(y축)을 따라 직선 왕복 운동이 가능하다. 또한, 헤드(110)는 로테이팅(Rotating) 또는 틸팅(tilting) 운동이 가능하다.
헤드(110)를 커버(120) 내부에서 상하 운동시키기 위해서, 3D 입체물 제조 로봇(100''')은 제3 축 레일(128)을 더 포함할 수 있다. 제3 축 레일(128)은 제3 축(y축)을 따라 배치된다. 제3 축 레일(128)은 레일 지지대(124)에 장착될 수 있다. 여기서, 레일 지지대(124)는 커버 다이(125) 상에 고정 장착될 수 있다.
도 12 내지 도 13에 도시된 3D 입체물 제조 로봇(100''')은 소형의 사이즈 혹은 얇은 두께의 3D 입체물(55) 제조에 유리한 이점이 있다.
도 12 내지 도 13에 도시된 3D 입체물 제조 로봇(100''')은, 도 1 및 도 4에 도시된 3D 입체물 제조 로봇(100)과 같이, 오븐(130)의 투입구로부터 헤드(110)의 토출구 사이의 거리(즉, 고분자 복합 재료가 이동되는 거리)를 일정하게 유지시킬 수 있다. 헤드(110)의 상하 운동, 로테이팅 운동 또는 틸팅 운동에 의해 오븐(130)의 투입구로부터 헤드(110)의 토출구 사이의 거리가 달라질 수 있는데, 오븐(130) 내부에 도 4에 도시된 유지부(155)와 같은 기능을 갖는 구성이 배치되어 오븐(130)의 투입구로부터 헤드(110)의 토출구 사이의 거리를 일정하게 유지시킬 수 있다. 또는 헤드(110)와 오븐(130) 사이에 장착된 소정의 구성이 오븐(130)의 투입구로부터 헤드(110)의 토출구 사이의 거리를 일정하게 유지시킬 수도 있다.
상술한 설명과 첨부된 도면은 본 발명의 가능한 실시예를 보여주고 있지만, 본 발명의 권리범위는 오로지 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 즉, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위나 사상으로부터 벗어나지 않는 한 다양한 부가, 변형 및 대체가 이루어질 수 있고, 다른 특정 형태, 구조, 배치, 성분, 크기로 구현되거나, 기타 요소, 물질, 부품과 함께 구현될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 기본적인 원리를 벗어나지 않으면서 특정 환경이나 동작 조건에 적응될 수 있을 것이며, 이는 당업자에 자명할 것이다.
50: 고분자 복합 재료
100, 100', 100'', 100''': 3D 입체물 제조 로봇
700: 재료 공급 장치

Claims (12)

  1. 투입구를 통해 투입되는 고분자 복합 재료의 이동 경로를 제공하고, 상기 이동 경로를 따라 이동하는 상기 고분자 복합 재료를 열 처리하는 오븐;
    상기 오븐의 배출구로부터 배출되는 상기 고분자 복합 재료를 제공받고, 상기 고분자 복합 재료를 토출하는 토출구를 갖는 하나 또는 다수의 헤드; 및
    상기 오븐과 상기 헤드 사이에 배치되고, 상기 고분자 복합 재료가 상기 오븐의 투입구로부터 상기 헤드의 토출구까지 이동하는 이동 거리를 일정하게 유지시키는 이송장치;
    를 포함하는, 3D 입체물 제조 로봇 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이송장치는 상기 고분자 복합 재료의 장력을 일정하게 유지시키는, 3D 입체물 제조 로봇 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 이송장치는,
    상기 오븐과 상기 헤드 사이를 지나는 제1 축을 따라 직선 왕복 운동하고, 상기 오븐 내부에서 이동하는 상기 고분자 복합 재료의 이동 방향을 전환시키고, 상기 고분자 복합 재료의 이동 거리를 일정하게 유지시키기 위한 유지부; 및
    상기 제1 축을 따라 직선 왕복 운동하고, 상기 헤드를 상기 제1 축을 따라 직선 왕복 운동시키고, 상기 유지부에 의해 방향 전환된 상기 고분자 복합 재료를 상기 제1 축 방향과 수직한 제2 축 방향으로 전환하는 이동부;
    를 포함하는 3D 입체물 제조 로봇 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 이송장치는,
    상기 제1 축을 따라 배치되고, 상기 유지부와 상기 이동부가 장착된 레일;을 더 포함하고,
    상기 유지부는, 상기 레일에 장착된 제1 부재; 상기 유지부의 제1 부재에 연결된 일측부와 상기 오븐의 배출구를 통해 상기 오븐 내부에 배치된 타측부를 포함하는 제2 부재; 및 상기 유지부의 제2 부재에 배치되고 상기 고분자 복합 재료의 이동 방향을 상기 제1 축 방향으로 전환시키는 제3 부재;를 포함하고,
    상기 이동부는, 상기 레일에 장착되고 상기 헤드가 장착된 제1 부재; 상기 이동부의 제1 부재에 연결된 일측부와 상기 오븐의 배출구를 통해 상기 오븐 내부에 배치된 타측부를 포함하는 제2 부재; 및 상기 이동부의 제2 부재에 배치되고 상기 유지부의 제3 부재에 의해서 방향 전환된 상기 고분자 복합 재료를 상기 제2 축 방향으로 전환시키는 제3 부재;를 포함하는,
    3D 입체물 제조 로봇 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 복합 재료는, 고분자 화합물과 섬유재를 포함하는 심재, 상기 심재를 둘러싸는 섬유층, 및 상기 섬유층을 둘러싸는 코팅층을 포함하는, 3D 입체물 제조 로봇 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 복합 재료는, 고분자 화합물과 섬유재를 포함하는 심재, 상기 심재를 둘러싸는 코팅층, 및 상기 코팅층을 둘러싸는 섬유층을 포함하는, 3D 입체물 제조 로봇 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 이송장치는, 상기 고분자 복합 재료가 상기 오븐의 배출구에서 배출되는 방향을 따라 상기 헤드와 상기 오븐을 직선 왕복 운동시키는, 3D 입체물 제조 로봇 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 이송장치는,
    상기 오븐과 상기 헤드 사이를 지나는 제1 축을 따라 직선 왕복 운동하고, 상기 오븐 내부에서 이동하는 상기 고분자 복합 재료의 이동 방향을 전환시키고, 상기 고분자 복합 재료의 이동 거리를 일정하게 유지시키기 위한 유지부;
    상기 제1 축을 따라 직선 왕복 운동하고, 상기 헤드를 상기 제1 축을 따라 직선 왕복 운동시키고, 상기 유지부에 의해 방향 전환된 상기 고분자 복합 재료를 상기 제1 축 방향과 수직한 제2 축 방향으로 전환하는 제1 이동부;
    상기 유지부와 상기 제1 이동부를 상기 제2 축을 따라 직선 왕복 운동 시키는 제2 이동부; 및
    상기 오븐을 상기 제2 축을 따라 직선 왕복 운동 시키는 제3 이동부;
    를 포함하는, 3D 입체물 제조 로봇 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤드 아래에 배치되고, 상기 헤드의 토출구를 통해 토출되는 상기 고분자 복합 재료에 의해서 성형되는 3D 입체물이 하나 또는 다수로 놓여지는 다수의 테이블을 포함하고,
    상기 다수의 테이블은 상기 제1 축 또는 상기 제2 축을 따라 서로 교차하면서 직선 왕복 운동하는, 3D 입체물 제조 로봇 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤드 아래에 배치되고, 상기 헤드의 토출구를 통해 토출되는 상기 고분자 복합 재료에 의해서 성형되는 다수의 3D 입체물이 놓여지는 테이블을 포함하고,
    상기 테이블은 회전축을 따라 회전가능한 턴 테이블인, 3D 입체물 제조 로봇 시스템.
  11. 투입구를 통해 투입되는 고분자 복합 재료의 이동 경로를 제공하고, 상기 이동 경로를 따라 이동하는 상기 고분자 복합 재료를 열 처리하는 오븐;
    상기 오븐의 배출구로부터 배출되는 상기 고분자 복합 재료를 제공받고, 상기 고분자 복합 재료를 토출하는 토출구를 갖고, 상하 운동, 로테이팅 운동 및 틸팅 운동이 가능한 헤드;
    상기 헤드 아래에 배치되고, 전후좌우 운동이 가능하며, 3D 입체물이 성형되는 상면을 포함하는 지그; 및
    상기 헤드와 상기 지그를 둘러싸고, 투명 또는 불투명 재질을 갖는 커버;
    를 포함하는 3D 입체물 제조 로봇 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 고분자 복합 재료가 상기 오븐의 투입구로부터 상기 헤드의 토출구까지 이동하는 이동 거리가 일정한, 3D 입체물 제조 로봇 시스템.
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