KR20190045484A - 복합재료용 3d 프린터헤드 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리는, 복합재료가 수용되는 공급조와 연결되어 상기 복합재료를 압축하며 이송하는 한편 일구간에 걸쳐 상기 복합재료를 교반하는 이송교반 유닛; 및 상기 이송교반 유닛과 결합되되 상기 이송교반 유닛을 통해 이송되는 상기 복합재료의 이송 흐름에 대하여 수직으로 교차하는 방향으로 배치되며, 상기 복합재료의 정량이 토출되도록 상기 교차 방향의 축심을 따라 모노 스크류가 마련되는 토출 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리는, 이송과 교반 공정이 복합적으로 수행되는 이송교반 유닛을 거침으로써 고압력으로 효율적으로 교반되면서 공급되어 고장 발생이 차단되고 장치의 유지보수 면에서 유리할 수 있으며, 에어 캐비티(air cavity)를 제거하는 배출밸브와 정량 공급이 용이한 모노 스크류를 이용하여 사출 모재를 정확한 위치에 정량으로 연속적으로 사출할 수 있어 3D 프린팅의 품질 및 출력물의 수율이 향상될 수 있다.

Description

복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리{3D PRINTER HEAD ASSEMBLY FOR COMPOSITE MATERIALS}
본 발명은 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세라믹이나 시멘트 등의 고점성의 복합재료가 정량으로 효율적으로 공급될 수 있는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로 3D 프린터라 함은 3차원 모델링을 바탕으로 하여 아주 얇은 막(레이어)를 한 층씩 쌓아 올림으로써, 원하는 제품을 입체적으로 성형하는 3차원 사출 성형기를 말한다. 이러한 3D 프린팅 기술 및 산업은 종래의 전통적인 절삭 가공 방식에 반대되는 적층제조 방식으로서 미래 가공 산업의 각광받는 신기술 분야이다.
이러한 3D 프린터는 초창기 종래의 열성 가소성 수지에 한정된 프린팅 기술을 이용하여 완구류나 단순한 장식품 등을 제조하는 수준에서, 점차 그 범위가 넓혀가고 있는 추세이다. 전통적인 자동차나 항공기의 제조업 분야 뿐만 아니라 최근에는 의료 분야나 건설 분야에 이르기까지 활용 영역이 확장되고 있다.
그 중, 복합재료를 사출 모재(substrate or base material)로 사용하여 3D 프린터를 활용한 건축물 또는 건축자재에 적용되는 건축 기술 개발도 시도되고 있다. 여기서, 복합재료라 함은 시멘트 혼합재 또는 세라믹 수지재 또는, 금속 분말이나 카본 등의 무기질 재료가 첨가된 다양한 건축 자재, 건축 부품 등을 예로 들 수 있다.
그러나, 이러한 복합재료는 종래의 3D 프린터에 사용되는 범용 수지에 비해 고점성이고 유동성이 낮은 기계적 물성을 가지기 때문에 유동되는 기존 3D 프린터의 노즐이나 관로가 막히는 등 장치의 고장이 빈번해지고 장치의 유지보수 면에서 불리한 문제점이 있다.
또한, 수지류에 비해 상대적으로 복합재료 자체에 내재된 불균일성과 에어 캐비티(air cavity)로 인해 사출 모재를 정확한 위치에 정량으로 연속적으로 사출하기 어려워, 3D 프린팅의 품질 및 출력물의 수율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 이송과 교반 공정이 복합적으로 수행되는 이송교반 유닛을 거침으로써 고압력으로 효율적으로 교반되면서 공급되어 고장 발생이 차단되고 장치의 유지보수 면에서 유리할 수 있으며, 에어 캐비티(air cavity)를 제거하는 배출밸브와 정량 공급이 용이한 모노 스크류를 이용하여 사출 모재를 정확한 위치에 정량으로 연속적으로 사출할 수 있어 3D 프린팅의 품질 및 출력물의 수율이 향상될 수 있는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리는, 복합재료가 수용되는 공급조와 연결되어 상기 복합재료를 압축하며 이송하는 한편 일구간에 걸쳐 상기 복합재료를 교반하는 이송교반 유닛; 및 상기 이송교반 유닛과 결합되되 상기 이송교반 유닛을 통해 이송되는 상기 복합재료의 이송 흐름에 대하여 수직으로 교차하는 방향으로 배치되며, 상기 복합재료의 정량이 토출되도록 상기 교차 방향의 축심을 따라 모노 스크류가 마련되는 토출 유닛을 포함할 수 있다.
상기 토출 유닛의 상부에 마련되어 상기 토출 유닛 및 상기 이송교반 유닛을 회전시키는 회전 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 토출 유닛은, 외면에 적어도 하나 이상 마련되어 이송되는 상기 복합재료에 포함되는 에어 캐비티(air cavity)를 외부로 배출시키는 배출밸브가 마련되는 토출 하우징; 상기 토출 하우징에 연결되되 상기 토출 하우징의 외경보다 상대적으로 축관되게 마련되는 토출 배관; 및 상기 토출 배관 내부에 마련되어 상기 모노 스크류를 수용하는 주름 몸체를 포함할 수 있다.
상기 토출 유닛은 상기 토출 하우징에 연결되어 상기 모노 스크류를 회동시키는 토출용 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
상기 토출 유닛에는 상기 토출 배관 단부에 인접하게 마련되어 토출된 상기 복합재료를 일시적 또는 선택적으로 수용하여 경화시키는 차폐격벽부를 더 포함할 수 있다.
상기 차폐격벽부는, 상기 토출 배관에 부분적으로 결합되는 거푸집본체; 상기 거푸집본체에 양단부에서 상하방향으로 업/다운 이동되는 승하강 격벽; 및 상기 토출 하우징에 결합되어 상기 승하강 격벽을 상기 거푸집본체에 대하여 승하강시키는 제1 및 제2 구동실린더를 포함할 수 있다.
상기 모노 스크류는 길이방향을 따라 갈수록 상기 토출 유닛의 축심으로부터 미리 설정된 간격만큼 편심되게 마련될 수 있다.
상기 이송교반 유닛은, 상기 토출 유닛에 이송 지지체로 연결되며, 일측에 상기 복합재료가 인입되는 인입부가 마련되는 이송 케이싱; 상기 이송 케이싱 내부에 배치되며, 이송날부와 부분적으로 교반날부가 형성된 이송교반 스크류; 및 상기 이송 지지체에 지지된 상태에서 구동되어 상기 이송교반 스크류를 구동하는 이송교반용 액추에이터를 포함할 수 있다.
상기 교반날부는 상기 이송교반 스크류의 단부 구간에 마련되며, 상기 교반날부는 상기 이송교반용 스크류의 표면으로부터 내부 방향으로 규칙적으로 함몰되게 형성되는 복수의 교반 블레이드일 수 있다.
상기 회전 유닛은, 회전 지지체; 및 상기 회전 지지체에 대하여 상기 토출 유닛을 회동시키는 회전용 액추에이터를 포함할 수 있다.
상기 복합재료는 시멘트 혼합재 또는 세라믹 수지재 중 적어도 어느 하나일 수 있다.상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리는, 복합재료가 수용되는 공급조와 연결되어 상기 복합재료를 압축하며 이송하는 한편 일구간에 걸쳐 상기 복합재료를 교반하는 이송교반 유닛; 및 상기 이송교반 유닛과 결합되되 상기 이송교반 유닛을 통해 이송되는 상기 복합재료의 이송 흐름에 대하여 수직으로 교차하는 방향으로 배치되며, 상기 복합재료의 정량이 토출되도록 상기 교차 방향의 축심을 따라 모노 스크류가 마련되는 토출 유닛을 포함할 수 있다.
상기 토출 유닛의 상부에 마련되어 상기 토출 유닛 및 상기 이송교반 유닛을 회전시키는 회전 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 토출 유닛은, 외면에 적어도 하나 이상 마련되어 이송되는 상기 복합재료에 포함되는 에어 캐비티(air cavity)를 외부로 배출시키는 배출밸브가 마련되는 토출 하우징; 상기 토출 하우징에 연결되되 상기 토출 하우징의 외경보다 상대적으로 축관되게 마련되는 토출 배관; 및 상기 토출 배관 내부에 마련되어 상기 모노 스크류를 수용하는 주름 몸체를 포함할 수 있다.
상기 토출 유닛은 상기 토출 하우징에 연결되어 상기 모노 스크류를 회동시키는 토출용 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
상기 토출 유닛에는 상기 토출 배관 단부에 인접하게 마련되어 토출된 상기 복합재료를 일시적 또는 선택적으로 수용하여 경화시키는 차폐격벽부를 더 포함할 수 있다.
상기 차폐격벽부는, 상기 토출 배관에 부분적으로 결합되는 거푸집본체; 상기 거푸집본체에 양단부에서 상하방향으로 업/다운 이동되는 승하강 격벽; 및 상기 토출 하우징에 결합되어 상기 승하강 격벽을 상기 거푸집본체에 대하여 승하강시키는 제1 및 제2 구동실린더를 포함할 수 있다.
상기 모노 스크류는 길이방향을 따라 갈수록 상기 토출 유닛의 축심으로부터 미리 설정된 간격만큼 편심되게 마련될 수 있다.
상기 이송교반 유닛은, 상기 토출 유닛에 이송 지지체로 연결되며, 일측에 상기 복합재료가 인입되는 인입부가 마련되는 이송 케이싱; 상기 이송 케이싱 내부에 배치되며, 이송날부와 부분적으로 교반날부가 형성된 이송교반 스크류; 및 상기 이송 지지체에 지지된 상태에서 구동되어 상기 이송교반 스크류를 구동하는 이송교반용 액추에이터를 포함할 수 있다.
상기 교반날부는 상기 이송교반 스크류의 단부 구간에 마련되며, 상기 교반날부는 상기 이송교반용 스크류의 표면으로부터 내부 방향으로 규칙적으로 함몰되게 형성되는 복수의 교반 블레이드일 수 있다.
상기 회전 유닛은, 회전 지지체; 및 상기 회전 지지체에 대하여 상기 토출 유닛을 회동시키는 회전용 액추에이터를 포함할 수 있다.
상기 복합재료는 시멘트 혼합재 또는 세라믹 수지재 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 의한 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리는, 이송과 교반 공정이 복합적으로 수행되는 이송교반 유닛을 거침으로써 고압력으로 효율적으로 교반되면서 공급되어 고장 발생이 차단되고 장치의 유지보수 면에서 유리할 수 있으며, 에어 캐비티(air cavity)를 제거하는 배출밸브와 정량 공급이 용이한 모노 스크류를 이용하여 사출 모재를 정확한 위치에 정량으로 연속적으로 사출할 수 있어 3D 프린팅의 품질 및 출력물의 수율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리의 전체 사시도이다.
도 2는 도 1의 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리에서 토출 유닛과 이송교반 유닛의 정면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에서 부분 확대하여 절개한 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리에 공급조와 회전 유닛에 별도의 외부 로봇아암을 부착한 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리에 복합재료가 공급되어 토출되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리를 이용하여 건축용 벽면 또는 벽체를 형성하는 과정의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리의 일 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리에 적용되는 복합재료는 시멘트 혼합재 또는 세라믹 수지재가 주로 적용 대상이나, 이밖에 경화 가능한 건축용 재질이라면 사출 모재가 될 수 있으며, 사출 모재에 분말 타입의 금속 물질이나 비금속 물질 또는 나노 물질, 예를 들어 탄소 나노 튜브를 첨가, 부가한 복합재료도 본 발명의 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리의 사출 모재로 활용될 수 있을 것이다. 이하, 설명의 편의상 본 장치의 복합재료는 시멘트 혼합재 또는 세라믹 수지재 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리의 전체 사시도이고, 도 2는 도 1의 부분 확대도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리에서 토출 유닛과 이송교반 유닛의 정면도를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 4는 도 3에서 부분 확대하여 절개한 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리(10)는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 복합재료가 수용되는 공급조와 연결되어 상기 복합재료를 압축하며 이송하는 한편 일구간에 걸쳐 상기 복합재료를 교반하는 이송교반 유닛(100); 및 상기 이송교반 유닛(100)과 결합되되 상기 이송교반 유닛(100)을 통해 이송되는 상기 복합재료의 이송 흐름에 대하여 수직으로 교차하는 방향으로 배치되며, 상기 복합재료의 정량이 토출되도록 상기 교차 방향의 축심을 따라 모노 스크류(240)가 마련되는 토출 유닛(200)과, 상기 토출 유닛(200)의 상부에 마련되어 상기 토출 유닛(200) 및 상기 이송교반 유닛(100)을 회전시키는 회전 유닛(300)을 포함할 수 있다.
복합재료의 토출 흐름되는 순서대로 장치를 설명한다.
공급조(도 7 참조)는 별도로 마련될 수 있으며, 공급조에 복합재료가 투입될 수 있다. 공급조로부터 이송교반 유닛(100)으로 유압호스를 통하여 연결될 수 있다.
이송교반 유닛(100)은 공급조에서 공급되는 복합재료를 고압력으로 토출 유닛(200)으로 공급하는 한편 불균일할 수 있는 복합재료를 균일하게 교반하는 역할을 수행하는 부분이다. 이를 위해, 상기 이송교반 유닛(100)은 도 1 내지 4에 도시된 바와 같이, 상기 토출 유닛(200)에 이송 지지체(130)로 연결되며, 일측에 상기 복합재료가 인입되는 인입부(111)가 마련되는 이송 케이싱(110); 상기 이송 케이싱(110) 내부에 배치되며, 이송날부(121)와 부분적으로 교반날부(122)가 형성된 이송교반 스크류(120); 및 상기 이송 지지체(130)에 지지된 상태에서 구동되어 상기 이송교반 스크류(120)를 구동하는 이송교반용 액추에이터(140)를 포함할 수 있다.
이송 케이싱(110)은 수평 방향으로 배치되며, 상부에 인입부(111)가 마련될 수 있다. 인입부(111)에는 유압호스(도 7 참조)가 연결될 수 있다.
이송 케이싱(110) 내부에는 이송교반 스크류(120)가 마련될 수 있다. 이송교반 스크류(120)는 주로 도 3 및 도 4를 참조하면, 길이방향을 따라 대부분의 구간에 걸쳐 이송날부(121)가 마련될 수 있다. 이송날부(121)는 인입부(111)로 투입된 복합재료를 수평방향으로 압착시키면서 이송시키는 역할을 수행할 수 있다.
복합재료가 이송되는 이송 흐름에 따른 이송교반 스크류(120)의 단부 구간에는 교반날부(122)가 마련될 수 있다. 상기 교반날부(122)는 주로 도 4에 도시된 것처럼 상기 이송교반 스크류(120)의 단부 구간에 마련되며, 상기 교반날부(122)는 상기 이송교반 스크류(120)의 표면으로부터 내부 방향으로 규칙적으로 함몰되게 형성되는 복수의 교반 블레이드(122)일 수 있다.
이러한 이송교반 스크류(120)를 통해 복합재료는 이송과 교반 공정이 복합적으로 수행될 수 있어 이종의 복합재료라도 효율적인 이송 및 교반 공정이 수행될 수 있다.
이송교반 스크류(120)는 이송교반용 액추에이터(140)의 구동에 의해 회전할 수 있으며, 사이에는 제1 커플링(141)에 의해 동력 전달이 가감될 수 있다.
이송교반 유닛(100)은 토출 유닛(200)에 이송 지지체(130)에 의해 고정될 수 있다.
이러한 이송교반 스크류(120)를 포함한 이송교반 유닛(100)을 거침으로써 복합재료는 고압력으로 효율적으로 교반되면서 토출 유닛(200)으로 공급될 수 있다. 이를 통해, 만에 하나 복합재료의 특성(고점성이고 유동성이 낮은 특성)에서 기인되는 장치에 관로를 줄이거나 차단될 수 있는 고장이 미연에 방지될 수 있어 장치의 유지보수 면에서 유리할 수 있다.
이송교반 유닛(100)의 단부에는 토출 유닛(200)이 연통되게 결합되되 상기 이송교반 유닛(100)을 통해 이송되는 상기 복합재료의 이송 흐름에 대하여 수직으로 교차하는 방향으로 배치될 수 있다.
상기 토출 유닛(200)은 실질적으로 3D 프린터의 출력부로서 토출 유닛(200)의 출력 성능이 3D 프린터의 성능을 좌우할 수 있다. 토출 유닛(200)이 정확한 지점에 정량이 투입될 필요가 있다.
이에, 토출 유닛(200)은 주로 도 1 내지 도 4를 참조하면, 외면에 적어도 하나 이상 마련되어 이송되는 상기 복합재료에 포함되는 에어 캐비티(air cavity)를 외부로 배출시키는 배출밸브(211)가 마련되는 토출 하우징(210); 상기 토출 하우징(210)에 연결되되 상기 토출 하우징(210)의 외경보다 상대적으로 축관되게 마련되는 토출 배관(220); 및 상기 토출 배관(220) 내부에 마련되어 상기 모노 스크류(240)를 수용하는 주름 몸체(230)와 상기 복합재료의 정량이 토출되도록 상기 주름 몸체(230) 내부에 마련되어 토출 유닛(200)의 축심을 따라 모노 스크류(240)와, 상기 토출 하우징(210)에 연결되어 상기 모노 스크류(240)를 회동시키는 토출용 액추에이터(250)를 포함할 수 있다.
토출 하우징(210)은 주로 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 사각 형상으로 마련되며, 상부에 토출용 액추에이터(250)를 지지하는 한편 내부에 토출용 액추에이터(250)와 모노 스크류(240)를 상호 연결하는 연결부재(미도시)가 마련되는 공간을 형성할 수 있다. 토출 하우징(210)의 외면 일부분에는 배출밸브(211)가 마련될 수 있으며, 배출밸브(211)는 복합재료에 포함될 수 있는 에어 캐비티를 외부로 빼내는 역할을 한다.
토출 배관(220)은 토출 하우징(210)의 하부에 연통되게 마련될 수 있다. 토출 배관(220)의 상부는 이송교반 유닛(100)으로부터 공급되는 복합재료가 인입되는 지점이다. 토출 배관(220)의 내부에는 내경에 규칙적인 간격으로 주름이 형성된 주름 몸체(230)가 배치될 수 있으며, 주름 몸체(230) 내부에는 모노 스크류(240)가 회동가능하게 마련될 수 있다.
모노 스크류(240)는 주로 도 3 및 도 4를 참조하면, 길이방향을 따라 갈수록 상기 토출 유닛(200)의 축심으로부터 미리 설정된 간격만큼 편심되게 마련될 수 있다. 이러한 모노 스크류(240)는 토출용 액추에이터(250) 및 제2 커플링(251)에 따라 회동할 수 있으며, 주름 몸체(230)와 모노 스크류(240)의 상호 작용에 따라 복합재료가 정량으로 토출될 수 있다.
토출 배관(220)의 하부에는 주로 도 1, 2 및 도 6에 도시된 것처럼 바로 외부로 토출되도록 마련될 수도 또는, 주로 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 추가적인 토출 노즐(270)이 마련될 수도 있다. 이는, 토출되는 양이나 출력물의 두께 등의 스펙에 따라 선택적으로 적용될 수 있을 것이다. 도 3 및 도 4에는 토출 노즐(270)이 마련되는 대신, 차폐격벽부(260)의 구성은 생략되어 있다.
상기 토출 유닛(200)에는 상기 토출 배관(220) 단부에 인접하게 마련되어 토출된 상기 복합재료를 일시적 또는 선택적으로 수용하여 경화시키는 차폐격벽부(260)를 더 포함할 수 있다.
상기 차폐격벽부(260)는 주로 도 1, 2 및 도 6에 도시된 것처럼, 상기 토출 배관(220)에 부분적으로 결합되는 거푸집본체(263); 상기 거푸집본체(263)에 양단부에서 상하방향으로 업/다운 이동되는 승하강격벽(264); 및 상기 토출 하우징(210)에 결합되어 상기 승하강격벽(264)을 상기 거푸집본체(263)에 대하여 승하강시키는 제1 및 제2 구동실린더(261, 262)를 포함할 수 있다.
거푸집본체(263)는 대략 ‘ㄷ’자 형상으로 개구가 하방을 향하도록 마련될 수 있으며, 거푸집본체(263)의 개방면에는 승하강격벽(264)이 업/다운 이동 가능하게 결합될 수 있다. 이러한 승하강격벽(264)은 각각 제1 및 제2 구동실린더(261, 262)에 의해 동작될 수 있다.
한편, 이러한 토출 유닛(200) 및 이송교반 유닛(100)의 위치 이동 특히, 회전 동작이 가능하게 하기 위해 회전 유닛(300)이 마련될 수 있다. 상기 회전 유닛(300)은 주로 도 1, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 회전 지지체(310); 및 상기 회전 지지체(310)에 대하여 상기 토출 유닛(200)을 회동시키는 회전용 액추에이터(320)를 포함할 수 있다.
회전 지지체(310)는 도 5의 로봇팔에 결합되는 부분이다.
회전용 액추에이터(320)가 제3 커플링(321)을 거쳐 동작하게 되면, 토출 유닛(200) 및 이송교반 유닛(100)은 회전 지지체(310)에 대하여 상대회전이 가능할 수 있으며, 이에 따라, 토출 유닛(200)으로부터 토출되는 복합재료는 곡선의 결과물을 출력할 수 있다. 여기서, 토출 유닛(200) 및 이송교반 유닛(100)은 이송 지지체(130)에 의해 일체로 고정되어 있다. 따라서, 회전 유닛(300)의 동작에 의해 토출 유닛(200) 및 이송교반 유닛(100)은 동일한 각도로 회전될 수 있다.
이러한 구성의 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리(10)를 통해, 이송과 교반 공정이 복합적으로 수행되는 이송교반 유닛(100)을 거침으로써 고압력으로 효율적으로 교반되면서 공급되어 고장 발생이 차단되고 장치의 유지보수 면에서 유리할 수 있으며, 에어 캐비티(air cavity)를 제거하는 배출밸브(211)와 정량 공급이 용이한 모노 스크류(240)를 이용하여 사출 모재를 정확한 위치에 정량으로 연속적으로 사출할 수 있어 3D 프린팅의 품질 및 출력물의 수율이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리에 공급조와 회전 유닛에 별도의 외부 로봇아암을 부착한 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리에 복합재료가 공급되어 토출되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리를 이용하여 건축용 벽면 또는 벽체를 형성하는 과정의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리(10)의 동작 과정 및 이를 이용한 건축물에 활용하는 일례를 도 1 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 주로 도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리(10)는 별도의 6관절 로봇팔에 설치될 수 있다. 이때, 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리(10)의 회전 지지체(310) 부분에 로봇팔의 아암 단부와 결합될 수 있으며, 로봇팔의 6축 움직임에 따라 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리(10)의 이동 및 회동이 가능할 수 있다. 이러한 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리(10)의 이동 및 회동 동작을 통해 도 7에 도시된 결과물은 직선 뿐만 아니라 곡선의 형태까지 출력이 가능한 장점이 있다.
한편, 공급조는 도면에 도시되지 않았지만 내부에 복합재료를 이송교반 유닛(100) 측으로 밀어넣는 유압부가 마련되어 있으며, 공급조와 이송교반 유닛(100) 사이에는 유압호스를 통해 연결될 수 있다.
토출 과정을 상세 설명하면, 먼저 인입부(111)를 통해 인입된 복합재료는 이송교반 유닛(100)의 동작에 따라 고압력을 수평 이송될 수 있다. 즉, 이송교반용 액추에이터(140)의 동작에 따라 이송교반 스크류(120)가 회동하게 되고, 복합재료는 이송교반 스크류(120)의 이송날에 의해 도 6에 도시된 바와 같이 좌측으로 이송될 수 있다. 좌측으로 이송된 복합재료는 이송교반 스크류(120)의 단부 구간에 마련된 교반 블레이드(122)에 의해 잘게 교반될 수 있다.
이러한 이송교반 유닛(100)의 동작에 따라, 이송과 교반 공정이 복합적으로 수행될 수 있어 이종의 복합재료라도 효율적인 이송 및 교반 공정이 수행될 수 있으며, 또한 고압력으로 효율적으로 교반되면서 토출 유닛(200)으로 공급될 수 있어 복합재료의 특성(고점성이고 유동성이 낮은 특성)에서 기인되는 장치에 관로를 줄이거나 차단될 수 있는 고장이 미연에 방지될 수 있어 장치의 유지보수 면에서 유리할 수 있다.
토출 유닛(200)으로 인입된 복합재료는 토출 유닛(200)의 동작에 따라 정량으로 토출될 수 있다. 먼저 토출 하우징(210)에 마련되는 배출밸브(211)가 오픈되어 복합재료 상에 포함될 수 있는 에어 캐비티(air cavity)를 제거하는 과정이 수행될 수 있다. 이러한 제거 과정은 토출 과정에 선제적으로 이루어질 수도 있고 동시에 수행될 수도 있을 것이다. 이를 통해, 토출 유닛(200)으로부터 복합재료를 정량적으로 공급할 수 있다.
또한, 토출 유닛(200)의 모노 스크류(240)를 활용한 정량 공급이 수행될 수 있다. 이를 보다 상세 설명하면, 모노 스크류(240)는 주름 몸체(230)와의 상호 작용에 따라 모노 타입으로 유량을 조절 가능한 방식이다. 그리고 모노 스크류(240)는 토출용 액추에이터(250) 및 제2 커플링(251)과 연결되어 동작가능할 수 있다. 이에 따라, 토출용 액추에이터(250)의 출력하는 모터 회전수에 따라 공급되는 복합재료의 양을 정밀하게 제어가능할 수 있어 작업자가 원하는 정량을 원하는 지점에 토출시킬 수 있다.
다음으로, 토출 배관(220)에 인접하게 마련되는 차폐격벽부(260)는 토출 유닛(200)을 거쳐 토출된 복합재료의 경화 과정 및 양생을 촉진할 수 있다. 즉, 도 7을 주로 참조하면, ‘ㄷ’자 형상의 거푸집본체(263)를 기준으로 왼쪽과 오른쪽의 승하강격벽(264)은 오픈된 상태에서 출력물을 토출함을 도시하고 있다. 본 발명의 토출 유닛(200)을 통해 토출된 복합재료는 차폐격벽부(260)를 거쳐 경화 과정을 거칠 수 있다. 승하강격벽(264)은 업/다운 동작이 가능하도록 제1 및 제2 구동실린더에 의해 동작될 수 있다. 예를 들어, 필요에 따라 승하강격벽(264)이 닫혀져 양생이 필요한 경우나 복합재료의 토출 상태를 관찰 및 관리가 요구되는 경우 등에 승하강격벽(264)의 업 또는 다운 동작이 수행되면서 토출 과정이 수행될 수 있다.
이러한 이송 및 교반 동작과, 토출 동작 및 경화와 양생 과정을 거치면서, 본 발명의 실시예에 따른 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리(10)는 고압력으로 효율적으로 교반되면서 공급되어 고장 발생이 차단되고 장치의 유지보수 면에서 유리할 수 있다.
또한, 에어 캐비티(air cavity)를 제거하는 배출밸브(211)와 정량 공급이 용이한 모노 스크류(240)를 이용하여 사출 모재를 정확한 위치에 정량으로 연속적으로 사출할 수 있어 3D 프린팅의 품질 및 출력물의 수율이 향상될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10 : 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리
100 : 이송교반 유닛 110 : 이송 케이싱
111 : 인입부 120 : 이송교반용 스크류
121 : 이송날부 122 : 교반날부
140 : 이송교반용 액추에이터 141 : 제1 커플링
200 : 토출 유닛 210 : 토출 하우징
211 : 배출밸브 220 : 토출 배관
230 : 주름 몸체 240 : 모노 스크류
250 : 토출용 액추에이터 260 : 차폐격벽부
261, 262 : 제1 및 제2 구동실린더
263 : 거푸집본체 264 : 승하강격벽
300 : 회전 유닛 310 : 회전 지지체
320 : 회전용 액추에이터 10 : 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리
100 : 이송교반 유닛 110 : 이송 케이싱
111 : 인입부 120 : 이송교반용 스크류
121 : 이송날부 122 : 교반날부
140 : 이송교반용 액추에이터 141 : 제1 커플링
200 : 토출 유닛 210 : 토출 하우징
211 : 배출밸브 220 : 토출 배관
230 : 주름 몸체 240 : 모노 스크류
250 : 토출용 액추에이터 260 : 차폐격벽부
261, 262 : 제1 및 제2 구동실린더
263 : 거푸집본체 264 : 승하강격벽
300 : 회전 유닛 310 : 회전 지지체
320 : 회전용 액추에이터

Claims (11)

  1. 복합재료가 수용되는 공급조와 연결되어 상기 복합재료를 압축하며 이송하는 한편 일구간에 걸쳐 상기 복합재료를 교반하는 이송교반 유닛; 및
    상기 이송교반 유닛과 결합되되 상기 이송교반 유닛을 통해 이송되는 상기 복합재료의 이송 흐름에 대하여 수직으로 교차하는 방향으로 배치되며, 상기 복합재료의 정량이 토출되도록 상기 교차 방향의 축심을 따라 모노 스크류가 마련되는 토출 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토출 유닛의 상부에 마련되어 상기 토출 유닛 및 상기 이송교반 유닛을 회전시키는 회전 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토출 유닛은,
    외면에 적어도 하나 이상 마련되어 이송되는 상기 복합재료에 포함되는 에어 캐비티(air cavity)를 외부로 배출시키는 배출밸브가 마련되는 토출 하우징;
    상기 토출 하우징에 연결되되 상기 토출 하우징의 외경보다 상대적으로 축관되게 마련되는 토출 배관; 및
    상기 토출 배관 내부에 마련되어 상기 모노 스크류를 수용하는 주름 몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 토출 유닛은 상기 토출 하우징에 연결되어 상기 모노 스크류를 회동시키는 토출용 액추에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 토출 유닛에는 상기 토출 배관 단부에 인접하게 마련되어 토출된 상기 복합재료를 일시적 또는 선택적으로 수용하여 경화시키는 차폐격벽부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 차폐격벽부는,
    상기 토출 배관에 부분적으로 결합되는 거푸집본체;
    상기 거푸집본체에 양단부에서 상하방향으로 업/다운 이동되는 승하강 격벽; 및
    상기 토출 하우징에 결합되어 상기 승하강 격벽을 상기 거푸집본체에 대하여 승하강시키는 제1 및 제2 구동실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모노 스크류는 길이방향을 따라 갈수록 상기 토출 유닛의 축심으로부터 미리 설정된 간격만큼 편심되게 마련되는 것을 특징으로 하는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이송교반 유닛은,
    상기 토출 유닛에 이송 지지체로 연결되며, 일측에 상기 복합재료가 인입되는 인입부가 마련되는 이송 케이싱;
    상기 이송 케이싱 내부에 배치되며, 이송날부와 부분적으로 교반날부가 형성된 이송교반 스크류; 및
    상기 이송 지지체에 지지된 상태에서 구동되어 상기 이송교반 스크류를 구동하는 이송교반용 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 교반날부는 상기 이송교반 스크류의 단부 구간에 마련되며,
    상기 교반날부는 상기 이송교반용 스크류의 표면으로부터 내부 방향으로 규칙적으로 함몰되게 형성되는 복수의 교반 블레이드인 것을 특징으로 하는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 회전 유닛은,
    회전 지지체; 및
    상기 회전 지지체에 대하여 상기 토출 유닛을 회동시키는 회전용 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복합재료는 시멘트 혼합재 또는 세라믹 수지재 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합재료용 3D 프린터헤드 어셈블리.
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