KR20190042434A

KR20190042434A - Fdm식 3d프린터 노즐장치

Info

Publication number: KR20190042434A
Application number: KR1020180083404A
Authority: KR
Inventors: 조경일
Original assignee: 조경일
Priority date: 2017-10-15
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2019-04-24

Abstract

본 발명은 필라멘트(420)를 고주파 유도 가열코일(520)로 감싼 노즐(510)로 투입하고 녹이고 압출하여 노즐보다 낮은 온도로 가열된 챔버(200)의 내부에서 3차원으로 적층 하는 FDM 식 3D 프린터노즐장치에 관한 것으로,
본 발명은 노즐의 상부에 설치한 반 원통형을 수랭식 냉각 통(540)의 상부 위치에 부착한 이송장치(410)에 필라멘트를 투입하여 하부위치에 설치한 이송 스크루(430)에 형성한 나사의 홈을 이용하여 강제로 가열된 노즐에 투입한다.
노즐의 하부에 냉각가스 분사장치(550)를 설치하여 가열된 노즐에서 용해되어 압출되는 점성이 낮은 필라멘트에 냉각가스를 분사하여 반고체로 형태로 만들어 가느다란 실 형상으로 압출한다.
노즐의 하부에 마모가 적은 세라믹이나 루비재질의 노즐 팁(515)를 부착하여 용해된 필라멘트가 압출할 경우 노즐 구멍의 마모에 의한 확장을 방지한다.
노즐의 상단 옆 위치에 노즐 온도 센서 홀더(512)를 설치하여 내부에 형성한 구멍에 온도센서(513)를 삽입하여 고온의 노즐을 간접 열로 측정한다.
외부와 열과 공기가 차단되고 가열된 챔버(200)의 내부에 설치되어 노즐과 상대적으로 3차원으로 이동하는 바닥 판에 노즐에서 용해되어 압출된 필라멘트를 한 층씩 적층 하는 FDM 식 3D 프린터를 제공한다.

Description

FDM식 3D프린터 노즐장치 { FDM TYPE 3D PRINTER NOZZLE DEVICE }

본 발명은 필라멘트(420)를 노즐(510)에서 용해하고 압출하여 챔버의 내부에 형성한 바닥 판에 3차원 적층 물을 생성하는 FDM 식 3D 프린터의 노즐장치에 관한 것으로,

보다 상세하게는 고주파 유도 가열코일(520)로 노즐을 가열하고 필라멘트를 용해하고 압출하여 노즐보다 낮은 온도로 가열된 챔버(500) 내부의 하부 위치에 설치한 바닥 판에 한 층씩 적층 하는 FDM 식 3D 프린터의 노즐과 냉각장치 및 필라멘트의 이송 장치에 관한 것이다.

종래의 3D 프린터는 고온으로 가열된 챔버의 내부에 형성한 노즐을 가열하기 위하여 고주파 발생기에서 생성한 고주파전류를 노즐의 외곽을 감싼 고주파 유도 가열 코일에 공급하기 위하여 연결선을 노즐의 상부에 설치한 수랭식 원통형 냉각 통을 관통하여 서로 연결한다.

원형 바퀴형상의 이송 롤러를 이용하여 필라멘트를 노즐에 투입하고 녹여서 압출하고 챔버 내부의 바닥 판에 한 층씩 적층 하여 3차원 조형물이 완성된다.

등록특허 KR 제10-1764058호.(금속합금 필라멘트용 3D 프린터) 등록특허 KR 제10-1523692호. PCT/CN2014/090983 EXTRUSION TYPE METAL FLOW 3D PRINTER. 특허 CN 201510790500 특허 CN 103786344 A

등록특허 KR 제10-1764058호에 제시한 바와 같이 종래의 FDM 식 금속합금 필라멘트용 3D 프린터는 고주파 유도가열을 이용하여 가열된 노즐의 상부에 원통형의 냉각 통을 설치하여 노즐의 상부를 냉각하므로 고주파 발생기에서 생성된 고주파 전류를 고주파 유도 가열코일에 공급하는 연결선이 금속으로 형성된 냉각 통을 관통하여 노즐을 감싼 고주파 유도 가열코일에 공급하므로 고주파 전류의 유도 손실이 발생하는 단점이 있었다.

원형 바퀴형상의 이송 롤러를 이용하여 필라멘트를 노즐에 강제로 공급할 경우 이송 롤러와 필라멘트가 상호 간에 미끄러져서 필라멘트의 이송이 불안정한 단점이 있었다.

필라멘트를 고주파 가열 장치로 가열된 노즐의 내부에서 녹이고 노즐의 하부에 형성한 구멍으로 압출할 때 필라멘트 재질의 특성상 점성이 낮고 표면장력이 높아서 방울형상이 되어 가느다란 실 형상으로 압출되지 않아서 적층 물이 정밀하지 않은 단점이 있었다.

필라멘트를 가열된 노즐의 내부에서 녹이고 노즐의 하부에 형성한 노즐 구멍으로 압출할 때 고온의 용해된 필라멘트의 마찰로 인한 마모로 노즐 구멍이 확장하는 단점이 있었다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 도 4에 제시한 바와 같이

노즐의 외부를 나선형으로 감싼 고주파 유도 가열코일(520)에 고주파 발생기(600)에서 발생한 고주파 전류를 공급하여 노즐을 가열한다.

노즐의 상부 위치에 반 원통형의 냉각 통(540)을 설치하고 나머지 반원형의 공간에 고주파 유도 가열코일과 고주파 발생기를 연결하는 연결선(521)을 통과시켜서 금속으로 형성된 냉각 통에 의한 고주파 전류의 유도 손실을 최소화한다.

수랭식 냉각 통의 상부 위치에 내부에 나사 홈을 형성한 스크루(430)를 부착하고 필라멘트(420)를 투입하여 회전하는 나사의 홈을 이용하여 필라멘트에 나사 산을 형성하여 미끄러짐 없이 가열된 노즐(510)에 안정적으로 공급한다.

필라멘트를 가열된 노즐의 내부에서 용해하고 노즐의 하부에 형성한 노즐 구멍으로 압출할 때 노즐의 하부에 냉각가스 분사장치(550)에서 냉각된 가스를 분사하여 용해되어 점성이 낮고 표면장력이 높아서 물방울형태로 형성되려는 필라멘트를 냉각해 반고체로 형태로 만들어 점성을 높이고 표면장력을 낮춰서 가느다란 실 형상으로 압출하여 챔버(200) 내부의 바닥 판에 한 층씩 적층 한다.

필라멘트를 가열된 노즐의 내부에서 녹이고 노즐의 하부에 형성한 구멍으로 압출할 때 노즐의 하부에 내부에 노즐 구멍을 형성하고 고온에서도 마찰에 대하여 마모가 적은 세라믹이나 루비재질의 노즐 팁(515)을 부착하여 노즐 구멍이 마모에 의한 확장을 방지한다.

노즐의 상단 옆 위치에 설치한 노즐 온도 센서 홀더(512)의 내부 중앙에 형성한 구멍에 온도센서(513)를 삽입하여 고온의 노즐을 직접 측정하기 어려운 점을 간접 열로 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 노즐의 상부위치를 냉각하는 금속으로 형성된 냉각 통(540)을 반 원통형으로 형성하여 나머지 반원형 공간에 고주파 유도 가열코일에 고주파 전류를 공급하는 연결선을 관통하게 하여 고주파 유도 전류의 유도 손실을 최소화하고 필라멘트를 회전하는 이송 스크루(430)를 이용하여 미끄러짐 없이 가열된 노즐에 안정적으로 공급하며 냉각가스 분사장치(550)에서 냉각가스를 노즐의 하부 위치에 분사하여 노즐에서 용해되어 압출되는 필라멘트를 반고체로 만들어 점성을 높여서 가느다란 실 형상으로 압출하며 노즐의 하부에 세라믹이나 루비재질의 노즐 팁(515)을 부착하여 노즐 구멍이 마모에 의한 확장을 방지하며 직접 측정하기 어려운 고온의 노즐온도를 온도센서 홀더(512)에 온도센서(513)를 삽입하여 간접적으로 측정하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명 FDM 식 3D프린터의 전체 사시도.
도 2는 본 발명 FDM 식 3D프린터의 구동 사시도.
도 3은 본 발명 FDM 식 3D프린터의 챔버와 노즐 몸체의 사시도.
도 4는 본 발명 FDM 식 3D프린터의 노즐 몸체 내부도.
도 5는 본 발명 FDM 식 3D프린터 노즐장치의 이송장치 사시도.
도 6은 본 발명 FDM 식 3D프린터 노즐장치의 냉각 통과 노즐 사시도.
도 7은 본 발명 FDM식 3D프린터 노즐장치의 노즐의 내부도.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 FDM 식 3D프린터의 전체 사시도로,

메인프레임(100)의 하부에 설치한 전후, 좌우로 이동하는 하부 슬라이딩 베드(300)의 상단위치에 양쪽 옆면에 문짝을 설치하고 단열재를 내장한 외부 벽면을 구비한 챔버(200)를 설치한다.

메인 프레임의 상부의 중앙위치에 상하로 이동하는 상부 슬라이딩 베드(400)에 파이프 형상의 노즐 몸체(500)를 설치한다.

메인프레임(100)에 챔버(200)와 분리된 뚜껑 판(210)의 상부 중앙위치에 파이프 형상의 노즐 몸체(500)의 이동통로를 중앙에 형성한 슬라이딩 부쉬(220)를 설치해 상하 이동한다.

파이프 형상의 노즐 몸체의 하부의 위치에 노즐(510)을 설치한다.

원형 릴(425)에서 출발한 필라멘트를 노즐에서 용해하고 압출하여 노즐과 상대적으로 3차원으로 이동하는 챔버(200)의 내부에 형성한 바닥 판에 한 층씩 적층 하여 3차원 적층 물을 생성한다.

도 2는 FDM 식 3D프린터의 구동 사시도로,

노즐에서 압출된 필라멘트(420)보다 낮은 온도로 유지하는 챔버 내부의 하부위치에 바닥 판을 설치하여 3차원 적층 물과 견고한 부착을 유도한다.

메인 프레임의 상부의 중앙위치에 상하로 이동하는 상부 슬라이딩 베드(400)에 파이프 형상의 노즐 몸체(500)를 부착한다.

도 3은 FDM 식 3D프린터의 챔버의 뚜껑 판과 노즐 몸체의 사시도로,

원형 릴(425)에서 출발한 필라멘트(420)는 파이프 형상의 노즐 몸체(550)의 내부를 관통하여 노즐 몸체의 상단에 위치한 회전하는 필라멘트 이송장치(410)하여 하단에 위치한 노즐(510)로 이송한다.

노즐 몸체의 상단에 위치한 고주파 발생기(600)에서 발생한 고주파 전류를 연결선(521)을 이용하여 노즐 몸체를 관통하여 하단에 위치한 노즐(510)의 외부를 감싸고 있는 고주파 유도 가열 코일(520)에 공급한다.

상하로 이동하는 상부 슬라이더 베드(400)에 부착된 파이프 형상의 노즐 몸체(500)를 슬라이딩하는 통로를 중앙에 형성한 슬라이딩 부쉬(220)에 삽입한다.

메인프레임의 상단 위치에 부착되고 챔버의 외부 벽면과 분리된 단열재를 내장한 챔버의 뚜껑 판(210)의 상부 중앙위치에 슬라이딩 부쉬(220)를 부착한다.

도 4는 FDM 식 3D프린터의 노즐 몸체 내부도로.

노즐 몸체의 상단에 설치한 냉각수 투입구(560)에 냉각수를 공급하여 수직방향으로 형성한 내부 파이프를 관통하여 노즐 몸체의 하부에 위치한 냉각수 내부 통로를 내부에 형성한 반 원통형의 냉각 통(540)에 냉각수를 공급한다.

노즐 몸체의 상단에 설치한 고주파 발생기(600)에서 생성된 고주파 전류를 연결선(521)을 통하여 반 원통형의 금속재질의 냉각 통의 반대편의 반원형의 공간의 관통하여 하단에 설치한 고주파 유도 가열코일(520)에 공급한다.

노즐 몸체의 상단에 설치한 이송모터와 연결된 내부에 나사 홈을 형성한 회전하는 필라멘트 이송 스크루(430)를 냉각 통 상단위치에 설치하고 필라멘트를 삽입하여 강제로 노즐에 공급한다.

도 5는 FDM 식 3D프린터의 노즐장치의 이송장치 사시도로,

노즐 몸체(500)의 상단에 설치한 회전하는 이송모터(411)를 필라멘트 이송 스크루 홀더(440)와 연결하여 이송 스크루(430)를 회전시킨다. 내부에 나사 홈을 형성한 필라멘트 이송 스크루를 노즐의 상단에 위치한 냉각 통(540)의 상단위치에 설치하고 필라멘트(420)를 삽입한다.

이송 스크루의 중앙 통로에 형성한 나사 홈이 회전하면서 필라멘트에 나사 산을 형성하면서 필라멘트를 강제로 하강 이송하여 가열된 노즐에 공급한다.

도 6은 FDM 식 3D프린터 노즐장치의 냉각통과 노즐 사시도로,

필라멘트 이송 스크루가 회전하면서 필라멘트를 반 원통형의 냉각 통의 내부를 관통하여 노즐(510)에 강제로 투입된다.

냉각 통의 상단에 형성한 냉각수 투입구(560)로 냉각수가 투입되고 내부 회전 통로를 관통한 후 외부로 배출하여 노즐의 상단 부분을 냉각시킨다.

반 원통형 냉각 통의 반대편에 형성된 반원형의 공간에 고주파 전류를 고주파 유도 가열코일에 공급하기 위한 연결선(521)의 통로를 설치하여 금속제품인 냉각 통과 일정한 간격을 형성하여 고주파 전류의 유도 손실을 방지한다.

가열된 노즐에서 필라멘트를 용해하고 하단의 노즐 구멍으로 압출시 필라멘트 재질의 특성상 점도가 낮고 표면장력이 높아서 물방울 형태로 압출되는 경향이 있으므로 냉각된 가스를 냉각가스 분사장치(550)에서 분배하여 노즐의 하부 위치에 분사하여 노즐 구멍에서 압출되는 용해된 필라멘트의 온도를 낮춰서 점도를 높이고 표면장력을 낮춰서 가느다란 실의 형태의 반고체 상태로 형성한다.

고주파 유도 가열코일(520)로 고온으로 가열된 노즐의 온도를 측정하기 위하여 노즐의 상단 옆 위치에 노즐 온도 센서 홀더(512)를 설치하여 내부의 중앙에 형성한 구멍에 온도 센서(513)를 삽입하여 고온의 노즐을 직접 측정하기 어려운 점을 간접 열로 측정하는 것을 특징으로 한다.

도 7은 FDM식 3D프린터 노즐장치의 노즐 내부도로,

필라멘트(420)를 고주파 유도 가열코일(520)로 가열된 노즐(510)의 내부에서 녹이고 노즐 연결 대(511)의 하부에 고온에서도 마찰에 대해 마모가 적은 세라믹이나 루비재질의 노즐 팁(515)을 노즐 팁 홀더(514)로 삽입하여 노즐 구멍이 마모에 의한 확장을 방지한다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명*
100 : 메인 프레임 200 : 챔버 210 : 뚜껑 판
220 : 슬라이딩 부쉬 300 : 하부 슬라이드 베드
400 : 상부 슬라이드 베드 410 : 이송장치
411 : 이송모터 420 : 필라멘트 425 : 원형 릴
430 : 이송 스크루 440 : 이송 스크루 홀더
500 : 노즐 몸체 510 : 노즐 511 : 노즐 연결대
512 : 온도센서 홀더 513 : 온도센서 514 : 노즐 팁 홀더
515 :노즐 팁 520 : 고주파 유도 가열코일 521 : 연결선
540 : 냉각 통 550 : 냉각가스 분사장치 560 : 냉각수 투입구
570 : 냉각가스 투입구 600 : 고주파 발생기

Claims

이송장치(410)를 이용하여 가열된 노즐에 투입된 필라멘트(420)를 녹이고 압출하여 노즐과 상대적으로 3차원으로 이동하는 챔버(200)의 내부에 위치한 바닥 판에 한 층씩 적층 하여 3차원 적층 물을 생성하는 FDM 식 3D 프린터에 있어서,
필라멘트(420)를 강제로 이송하는 이송 장치(410) ;
노즐의 상부 위치에 설치된 냉각 통(540) :
노즐의 온도를 측정하는 온도센서(513) :
노즐의 하부에 냉각가스를 분사하는 냉각가스 분사장치(550) :
위의 장치를 이용하여 챔버(200)의 내부에 위치한 바닥 판에 3차원 적층 물이 생성 것을 특징으로 하는 FDM 식 3D 프린터 노즐장치.
청구항 1 에 있어서,
필라멘트를 강제로 이송하는 이송 장치(410)는
회전하는 이송모터(411)와 연결되어 냉각 통 상부에 설치한 대롱형상의 이송 스크루 홀더(440)의 하단위치에 삽입된 이송 스크루(430)의 내부에 나사의 홈을 형성하여 필라멘트를 이송하는 것을 특징으로 하는 FDM 식 3D 프린터 노즐장치.
청구항 1 에 있어서,
내부에 냉각수의 순환통로를 형성한 냉각 통(540)은
반 원통형의 형상으로 내부의 중앙위치에 필라멘트의 통로를 수직방향으로 형성하고 상단에 냉각수 투입구(560)와 냉각수 배출구를 설치하는 것을 특징으로 하는 FDM 식 3D 프린터노즐장치.
청구항 1 에 있어서,
노즐의 온도를 측정하는 온도센서(513)는
노즐의 상단 위치에 수평방향으로 노즐 온도센서 홀더(514)를 설치하여 온도센서 홀더 내부 중앙 형성한 구멍에 온도센서(513)를 삽입하는 것을 특징으로 하는 FDM 식 3D 프린터노즐장치.
청구항 1 에 있어서,
노즐의 하부에 냉각가스를 분사하는 냉각가스 분사장치(550)는
노즐 몸체(500)의 상단에 위치한 냉각가스 투입구(570)에 공급한 냉각가스는 노즐 몸체의 내부에 형성한 파이프를 통하고 냉각가스 분사장치(550)에서 분배되어 노즐의 하부 위치에 냉각가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 FDM 식 3D 프린터 노즐장치.
마모가 적은 재질의 모자형상이며 내부에 구멍을 형성한 노즐 팁(514)을 노즐의 하부위치와 나사로 체결된 컵 형상의 노즐 팁 홀더(514)의 내부의 하부위치에 삽입하여 설치하는 것을 특징으로 하는 FDM 식 3D 프린터노즐장치.