KR20190053479A - 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3d프린터 - Google Patents

이종소재 공정을 위한 하이브리드 3d프린터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터에 관한 것으로서, 특히 베드에서 상하이동 가능하게 빌드 플레이트가 구비되고, 상기 빌드 플레이트의 양 옆에 형성된 소재공급홀을 통해 서로 다른 종류의 분말소재를 상향 공급하는 소재공급부가 구비되며, 상기 소재공급부에서 공급된 분말소재를 상기 베드 상에서 밀면서 이동하여 상기 빌드 플레이트의 상면에 적층하는 리코터 모듈이 구비된 메인챔버와; 상기 메인챔버의 빌드 플레이트 상면에 적층된 분말소재에 레이저빔을 조사하여 소결시키는 레이저 모듈을 포함하여 구성되어, 다양한 소재의 조합이 필요한 제품을 용이하게 성형할 수 있는 효과가 있다.

Description

이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터{Hybrid 3D printer for heterogeneous material process}
본 발명은 3D프린터에 관한 것으로서, 특히 다양한 이종소재를 조합하여 제품을 성형할 수 있는 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터에 관한 것이다.
일반적으로, 3D 프린터란 입체로 디자인된 형상을 플라스틱, 금속, 세라믹 등 각종 소재를 층층이 쌍아 제조하는 장치를 말한다. 3D 프린터는 소재를 레이저로 소결하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식, 빛으로 소재를 굳히는 SLA(Stereolithography) 방식, 필라멘트를 용융하는 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식 등을 포함한 다양한 방식이 있다.
3D 프린터는 설계된 형상을 단순히 보여주는 초기 단계의 급속 조형 (RP, Rapid Prototype) 기술을 넘어서 금속, 석회, 합성수지, 고무 등의 재료를 직접 분사해 기계 부품이나 제작품을 찍어내는 임의 형상 제작(SFF, Solid Freeform Fabrication) 기술로 진화하고 있다.
그러나, 지금까지 제시되고 있는 대부분의 3D 프린터는 한 가지 종류의 재료를 사용하여 소결하는 방식으로 제품을 제작하였기 때문에 다양한 기능을 갖거나 다양한 느낌을 제공하는 제품을 생산하는데는 일정한 한계가 있었다.
등록번호:10-1736568 (출원번호:10-2015-0062114, 발명의 명칭 : 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드)
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다양한 이종의 소재를 사용하여 제품을 성형할 수 있는 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터는 베드에서 상하이동 가능하게 빌드 플레이트가 구비되고, 상기 빌드 플레이트의 양 옆에 형성된 소재공급홀을 통해 서로 다른 종류의 분말소재를 상향 공급하는 소재공급부가 구비되며, 상기 소재공급부에서 공급된 분말소재를 상기 베드 상에서 밀면서 이동하여 상기 빌드 플레이트의 상면에 적층하는 리코터 모듈이 구비된 메인챔버와; 상기 메인챔버의 빌드 플레이트 상면에 적층된 분말소재에 레이저빔을 조사하여 소결시키는 레이저 모듈과; 상기 메인챔버의 옆에 설치되고, 내부에 빌드 플레이트가 구비되며, 상기 빌드 플레이트에 액상소재를 토출하는 액상 노즐과 필라멘트소재를 가열하여 토출하는 FDM 노즐이 구비된 서브챔버;를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 베드는 상기 빌드 플레이트와 소재공급부 사이에 덮개에 의해 개폐되는 드레인홀이 형성되어, 상기 리코터 모듈에 의해 밀린 분말소재가 하측으로 낙하되고, 낙하되는 분말소재는 회수통에 저장된다.
그리고, 상기 소재공급부는 상기 베드의 하측에 위치되는 실린더와; 상기 실린더의 로드의 상단에 연결되어 상기 베드의 소재공급홀을 향해 상하로 움직이고, 상면에 분말소재가 적층되어 상기 소재공급홀을 통해 아래에서 위쪽으로 분말소재를 공급하는 저판과; 상기 저판을 둘러쌈으로써 저판의 상면에 적층된 분말소재의 외부 이탈을 방지하는 측벽;으로 구성된다.
또한, 상기 리코터 모듈은 상기 베드의 상측에서 좌우로 이동하는 브라켓과; 상기 브라켓의 하단 양측에 설치되어 분말소재를 미는 블레이드와; 상기 브라켓의 측면에 설치된 레일과; 상기 레일을 따라 이동하는 다이얼 게이지;로 구성된다.
또한, 상기 메인챔버의 빌드 플레이트와 상기 서브챔버의 빌드 플레이트에는 전열선이 내장된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터는 서로 다른 이종소재를 빌트 플레이트에 적층하여 제품을 성형할 수있기 때문에 다양한 소재의 조합이 필요한 제품이나 다양한 느낌을 주는 제품들을 용이하게 성형할 수 있는 이점이 있다.
또한, 분말 형태의 소재와 액상이나 필라멘트 형태의 소재도 조합하여 조형물을 만들 수 있기 때문에 조형물을 만드는 소재의 폭을 넓힐 수 있는 이점이 있다.
또한, 드레인홀을 통하여 분말소재를 외부로 배출시킬 수 있기 때문에 리코터 모듈의 움직임에 의하여 서로 다른 이종의 소재가 혼합될 가능성이 낮은 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터를 보인 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 3D프린터의 메인챔버를 보인 도.
도 3은 도 1에 도시된 하이브리드 3D프린터의 서브챔버를 보인 도.
도 4a 내지 도 4d는 도 1에 도시된 하이브리드 3D프린터를 이용하여 작업을 하는 모습을 보인 도.
이하, 본 발명에 의한 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터를 보인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 3D프린터의 메인챔버를 보인 도이며, 도 3은 도 1에 도시된 하이브리드 3D프린터의 서브챔버를 보인 도이다.
그리고, 도 4a 내지 도 4d는 도 1에 도시된 하이브리드 3D프린터를 이용하여 작업을 하는 모습을 보인 도이다.
본 발명에 의한 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터는 프레임(10)과, 상기 프레임(10) 상측에 설치되는 메인챔버(20)와, 상기 메인챔버(20)의 상측에 설치되는 레이저 모듈(30)과, 상기 프레임(10) 상측에 설치되되 상기 메인챔버(20)의 바로 옆에 설치되는 서브챔버(40);를 포함하여 구성된다.
상기 메인챔버(20)는 바닥에 베드(21)와 빌드 플레이트(22)가 구비되고, 상기 빌드 플레이트(22)의 양 옆에는 소재공급부(23)가 구비되며, 상기 베드(21)의 상측에는 리코터 모듈(24)이 구비된다.
상기 베드(21)는 프레임(10)의 상면에 고정 설치되어 작업면을 제공하는 것으로서, 중간 부분에 구비된 빌드 플레이트(22)의 양 옆에 소재공급홀(21a)이 각각 하나씩 형성된다. 그리고, 베드(21)는 빌드 플레이트(22)와 소재공급부(23) 사이, 즉 빌드 플레이트(22)와 양측에 형성된 소재공급홀(21a) 사이에 각각 하나씩의 드레인홀(21c)이 형성된다.
상기 소재공급홀(21a)은 빌드 플레이트(22)의 상면에 적층될 분말소재가 공급되는 통로이다.
상기 드레인홀(21c)은 빌드 플레이트(22)에 분말소재를 적층하는 작업을 하는 중에 빌드 플레이트(22)의 상면에 적층되지 않고 베드(21) 상면에 산재한 분말소재가 발생되었을 때, 이 분말소재를 리코터 모듈(24)로 밀어서 이에 밀린 분말소재가 베드(21) 하측으로 낙하되는 통로이다.
이와 같은 드레인홀(21c)은 덮개(21d)에 의해 개폐된다. 따라서, 드레인홀(21c)이 필요한 경우에는 덮개(21d)를 개방하고, 그렇지 않은 경우에는 드레인홀(21c)에 덮개(21d)를 설치하여 드레인홀(21c)을 막는다.
그리고, 드레인홀(21c)의 하측에는 회수통(21e)이 설치된다. 따라서 드레인홀(21c)을 통해 낙하되는 분말소재는 회수통(21e)에 모여 저장된다.
상기 빌드 플레이트(22)는 3D프린터를 이용하여 성형 공정을 수행할 때 소재분말이 적층되는 곳으로서, 실린더에 연결되어 베드(21)에서 상하이동 가능하게 구비된다. 즉 베드(21)의 소재공급홀(21a) 사이에는 소재공급홀(21a)과 동일한 모양과 크기를 갖는 출입홀(21b)이 형성되는데, 이 출입홀(21b)을 통하여 빌드 플레이트(22)가 베드(21)의 상하로 직선운동한다. 이러한 메인챔버(20)의 빌드 플레이트(22)에는 전열선(22a)이 내장되어 상면에 적층된 소재분말에 소결을 위한 열을 가한다.
상기 소재공급부(23)는 소재공급홀(21a)을 통하여 서로 다른 종류의 분말 소재를 상향 공급한다. 부연 설명을 하면, 본 발명은 동일한 구성을 갖는 소재공급부(23)가 빌드 플레이트(22)의 양 옆에 각각 하나씩 설치되는데, 이러한 소재공급부(23)는 실린더(23a)와, 상기 실린더(23a)에 연결되는 저판(23b)과, 상기 저판(23b)을 둘러싸는 측벽(23c)으로 구성된다.
상기 실린더(23a)는 베드(21) 하측의 프레임(10)에 설치되어 저판(23b)이 상하로 움직일 수 있도록 한다.
상기 저판(23b)은 실린더(23a)의 로드(23d) 상단에 연결되어 실린더(23a)의 동작에 따라 베드(21)의 소재공급홀(21a)을 향해 상하로 움직인다. 이러한 저판(23b)의 상면에는 분말소재가 일정높이로 적층되어 소재공급홀(21a)을 통해 아래에서 위쪽으로 분말소재를 공급한다. 즉 저판(23b)이 위쪽으로 움직이면 저판(23b)의 상면에 적층된 분말소재 중 가장 위쪽에 있는 분말소재가 소재공급홀(21a)을 통해 베드(21)의 상면으로 노출된다. 그리고, 저판(23b)에는 전열선을 내장하여 저판(23b)의 상면에 적층된 분말소재에 열을 가할 수도 있다.
한편, 본 발명에서는 이종소재를 이용하여 성형(조형)작업을 하기 때문에 빌드 플레이트(22)의 좌측에 위치하는 저판(23b)에는 금속분말을 적층하고 있고, 빌드 플레이트(22)의 우측에 위치하는 저판(23b)에는 폴리머분말을 적층하고 있어서 조형에 필요한 분말소재를 취사선택할 수 있다.
상기 측벽(23c)은 저판(23b)의 상면에 적층된 분말소재가 붕괴되어 저판(23b) 외부로 이탈되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 저판(23b)을 둘러싸면서 베드(21)의 저면 부분에 설치된다.
상기 리코터 모듈(24)은 소재공급부(23)에서 공급된 분말소재를 베드(21) 상에서 밀면서 이동하여 빌드 플레이트(22)의 상면에 적층하는 것이다. 본 발명은 동일한 구성을 갖는 리코터 모듈(24)을 좌우에 각각 하나씩 설치하고 있는데, 좌측에 있는 리코터 모듈(24)은 좌측의 소재공급부(23)에서 제공하는 분말소재를 빌드 플레이트(22)에 적층하고, 우측에 있는 리코터 모듈(24)은 우측의 소재공급부(23)에서 제공하는 분말소재를 빌드 플레이트(22)에 적층한다.
이러한 리코터 모듈(24)은 브라켓(24a)과, 상기 브라켓(24a)에 설치되는 블레이드(24b)와, 상기 브라켓(24a)에 설치되는 레일(24c)과, 상기 레일(24c)에 설치되는 다이얼 게이지(24d)로 구성된다.
상기 브라켓(24a)은 베드(21)의 상측에서 좌우로 이동가능하게 설치된다.
상기 블레이드(24b)는 브라켓(24a)의 하단 양측에 설치되어 분말소재를 민다. 즉, 베드(21)의 소재공급홀(21a) 상측으로 분말소재가 일정한 높이로 노출되면 블레이드(24b)가 노출된 분말소재를 밀면서 빌드 플레이트(22) 쪽으로 직선운동을 하게 되고, 결국 베드(21)의 출입홀(21b)에서 하측으로 약간 이동함으로써 베드(21)의 상면보다 약간 낮은 곳에 위치하는 빌드 플레이트(22)의 상면에 분말소재를 적층하게 된다.
이때, 소재공급홀(21a)과 빌드 플레이트(22) 사이에 위치한 드레인홀(21c)은 덮개(21d)에 의해 밀폐됨으로써 분말소재가 빌드 플레이트(22)에 도달하기 전에 드레인홀(21c)을 통하여 낙하되는 것을 방지한다. 그리고, 빌드 플레이트(22)에 분말소재를 적층한 블레이드(24b)는 빌드 플레이트(22)를 지나쳐서 그 앞에 있는 덮개(21d)가 개방된 드레인홀(21c)까지 이동을 한다. 이러한 블레이드(24b)의 운동에 의하여 빌드 플레이트(22)에 적층되지 않고 개방된 드레인홀(21c)까지 밀려 온 분말소재는 드레인홀(21c)을 통하여 베드(21)의 하측으로 낙하된다.
상기 레일(24c)은 브라켓(24a)의 일측면에 수평하게 설치된다.
상기 다이얼 게이지(24d)는 레일(24c)을 따라 이동가능하게 설치되는데, 이 다이얼 게이지(24d)는 베드(21)의 상면 또는 빌드 플레이트(22)의 상면으로부터 블레이드(24b)가 어느 높이에 설치되어 있는지를 측정하여 블레이드(24b)가 적정한 높이에 위치될 수 있도록 한다.
상기 레이저 모듈(30)은 메인챔버(20)의 빌드 플레이트(22) 상면에 적층된 분말소재에 레이저빔을 조사하여 소결시킨다.
본 발명은 두 개의 서로 다른 분말소재, 즉 금속분말과 폴리머분말을 사용하여 조형작업을 하기 때문에 레이저 모듈(30)에도 이 종류가 다른 2개의 분말을 소결시킬 수 있는 2개의 소결레이저가 구비된다.
상기 서브챔버(40)는 내부에 빌드 플레이트(41)가 구비되고, 액상 노즐과 FDM 노즐(43)이 구비된다.
상기 빌드 플레이트(41)는 액상 노즐(42)과 FDM 노즐(43)에서 토출되는 소재가 적층되는 곳으로서, 이러한 빌드 플레이트(41)에는 전열선(41a)이 내장된다.
상기 액상 노즐(42)은 서브챔버(40) 내에서 XYZ축 방향으로 이동 가능하게 설치되고, 잉크와 같은 액상소재를 빌드 플레이트(41) 상면에 토출한다. 이렇게 토출된 액상소재는 전열선(41a)의 발열에 의해 열이 가해질 때 소결된다.
상기 FDM(Fused Deposition Modeling) 노즐(43)은 서브챔버(40) 내에서 XYZ축 방향으로 이동 가능하게 설치되고, 필라멘트소재를 가열하여 빌드 플레이트(41) 상면에 토출한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터의 작동과정을 왼쪽의 소재공급부에는 금속분말이 적층되어 있고 오른쪽의 소재공급부에는 폴리머분말이 적층되어 있다고 가정하고 간단히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 빌드 플레이트(22)의 상면이 베드(21)의 상면보다 약간 아래에 위치되도록 하고, 왼쪽의 소재공급부(23)의 저판(23b)을 위로 올려 적층된 금속분말의 상단부분이 베드(21)의 상면으로 노출되도록 함과 아울러 오른쪽의 소재공급부(23) 저판(23b)을 위로 올려 적층된 폴리머분말의 상단부분이 베드(21)의 상면으로 노출되도록 한다.
이런 상태에서 왼쪽의 리코터 모듈(24)을 오른쪽으로 움직여서 금속분말을 빌드 플레이트(22) 쪽으로 민다. 이때 왼쪽의 드레인홀(21c)은 덮개(21d)에 의하여 막혀 있다.
이렇게 왼쪽의 리코터 모듈(24)을 오른쪽으로 움직여 금속분말을 빌드 플레이트(22)에 적층한 후 이 리코터 모듈(24)이 빌드 플레이트(22)를 지나쳐 통과하도록 하여 오른쪽의 드레인홀(21c)까지 이동시킨다. 이때 오른쪽의 드레인홀(21c)은 덮개(21d)가 제거되어 개방상태이다. 이러한 과정을 통해 빌드 플레이트(22)에 적층되지 않은 금속분말이 오른쪽에 있는 드레인홀(21c)을 통해 낙하된다.
빌드 플레이트(22)에 금속분말이 적층되었으면 레이저 모듈(30)을 작동시켜 금속분말을 소결한다.
이후, 빌드 플레이트(22)의 상면에서 소결된 금속분말의 상면이 베드(21)의 상면보다 약간 아래에 위치되도록 빌드 플레이트(22)를 하강시키고, 오른쪽의 소재공급부(23) 저판(23b)을 위로 올려 적층된 폴리머분말의 상단부분이 베드(21)의 상면으로 노출되도록 함과 아울러 왼쪽의 소재공급부(23) 저판(23b)을 위로 올려 적층된 금속분말의 상단부분이 베드(21)의 상면으로 노출되도록 한다.
이런 상태에서 오른쪽의 리코터 모듈(24)을 왼쪽으로 움직여서 폴리머분말을 빌드 플레이트(22) 쪽으로 민다. 이때 오른쪽의 드레인홀(21c)은 덮개(21d)에 의하여 막혀 있다.
이렇게 오른쪽의 리코터 모듈(24)을 왼쪽으로 움직여 폴리머분말을 빌드 플레이트(22)의 상면에서 소결된 금속분말의 상면에 적층한 후 이 리코터 모듈(24)이 빌드 플레이트(22)를 지나쳐 통과하도록 하여 왼쪽의 드레인홀(21c)까지 이동시킨다. 이때 왼쪽의 드레인홀(21c)은 덮개(21d)가 제거되어 개방상태이다. 이러한 과정을 통해 빌드 플레이트(22)의 금속분말 상면에 적층되지 않은 폴리머분말이 왼쪽에 있는 드레인홀(21c)을 통해 낙하된다.
빌드 플레이트(22)의 금속분말 상면에 폴리머분말이 적층되었으면 레이저 모듈(30)을 작동시켜 폴리머분말을 소결한다.
위와 같은 작업을 반복하여 원하는 높이로 금속분말과 폴리머분말을 교차 적층하여 조형물을 만든다.
그런 다음, 필요한 경우 메인챔버(20)에서 만들어진 조형물을 바로 옆의 서브챔버(40)로 옮겨 액상소재나 필라멘트소재를 적층하여 조형물을 완성한다.
10: 프레임 20: 메인챔버
21: 베드 21a: 소재공급홀
21b: 출입홀 21c: 드레인홀
21d: 덮개 21e: 회수통
22: 빌드 플레이트 22a: 전열선
23: 소재공급부 23a: 실린더
23b: 저판 23c: 측벽
24: 리코터 모듈 24a: 브라켓
24b: 블레이드 24c: 레일
24d: 다이얼 게이지 30: 레이저 모듈
40: 서브챔버 41: 빌드 플레이트
41a: 전열선 42: 액상 노즐
43: FDM 노즐

Claims (8)

  1. 베드(21)에서 상하이동 가능하게 빌드 플레이트(22)가 구비되고, 상기 빌드 플레이트(22)의 양 옆에 형성된 소재공급홀(21a)을 통해 서로 다른 종류의 분말소재를 상향 공급하는 소재공급부(23)가 구비되며, 상기 소재공급부(23)에서 공급된 분말소재를 상기 베드(21) 상에서 밀면서 이동하여 상기 빌드 플레이트(22)의 상면에 적층하는 리코터 모듈(24)이 구비된 메인챔버(20)와;
    상기 메인챔버(20)의 빌드 플레이트(22) 상면에 적층된 분말소재에 레이저빔을 조사하여 소결시키는 레이저 모듈(30);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 베드(21)는 상기 빌드 플레이트(22)와 소재공급부(23) 사이에 덮개(21d)에 의해 개폐되는 드레인홀(21c)이 형성되어, 상기 리코터 모듈(24)에 의해 밀린 분말소재가 하측으로 낙하되는 것을 특징으로 하는 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 드레인홀(21c)의 하측에는 낙하되는 분말소재를 저장하는 회수통(21e)이 설치된 것을 특징으로 하는 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 소재공급부(23)는 상기 베드(21)의 하측에 위치되는 실린더(23a)와;
    상기 실린더(23a)의 로드(23d)의 상단에 연결되어 상기 베드(21)의 소재공급홀(21a)을 향해 상하로 움직이고, 상면에 분말소재가 적층되어 상기 소재공급홀(21a)을 통해 아래에서 위쪽으로 분말소재를 공급하는 저판(23b)과;
    상기 저판(23b)을 둘러쌈으로써 저판(23b)의 상면에 적층된 분말소재의 외부 이탈을 방지하는 측벽(23c);으로 구성된 것을 특징으로 하는 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 리코터 모듈(24)은 상기 베드(21)의 상측에서 좌우로 이동하는 브라켓(24a)과;
    상기 브라켓(24a)의 하단 양측에 설치되어 분말소재를 미는 블레이드(24b)와;
    상기 브라켓(24a)의 측면에 설치된 레일(24c)과;
    상기 레일(24c)을 따라 이동하는 다이얼 게이지(24d);로 구성된 것을 특징으로 하는 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인챔버(20)의 빌드 플레이트(22)에는 전열선(22a)이 내장된 것을 특징으로 하는 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인챔버(20)의 옆에 설치되고, 내부에 빌드 플레이트(41)가 구비되며, 상기 빌드 플레이트(41)에 액상소재를 토출하는 액상 노즐(42)과 필라멘트소재를 가열하여 토출하는 FDM 노즐(43)이 구비된 서브챔버(40);를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 서브챔버(40)의 빌드 플레이트(41)에는 전열선(41a)이 내장된 것을 특징으로 하는 이종소재 공정을 위한 하이브리드 3D프린터.
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