KR20190066666A - 멀티 컬러 3d 프린터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 비교적 성능이 우수한 멀티 컬러 3D 프린터를 제공하는 것이다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멀티 컬러 3D 프린터는 필라멘트의 직경오차를 극복할 수 있는 보우덴 방식의 익스트루더와; 적층안정성 확보를 위한 최소영역의 서포트 지지부와; 시료를 공급하는 핫엔드를 포함한다. 여기서, 상기 익스트루더는 다중색상 표현이 가능한 것이 바람직하다. 그리고 상기 익스트루더는 장력을 높이는 설계 방식으로 재료의 출력속도를 제어하는 것이 바람직하다.

Description

멀티 컬러 3D 프린터{MULTI COLOR 3D PRINTER}

본 발명은 멀티 컬러 3D 프린터에 관한 것이다.

3D 프린터는 설계 데이터에 따라 액체, 파우더 형태의 폴리머(수지), 금속 등의 재료를 가공,적층 방식(Layer-by-layer)으로 쌓아올려 입체물을 제조할 수 있다. 3D 프린터는 크게 적층 방식과 입체물 제조에 활용 가능한 재료에 따른 기술로 구분된다.

3D 프린팅은 기계 절삭 및 성형 등의 기존의 생산 방식을 탈피하여 거의 모든 형태의 제품도 만들어낼 수 있어 장난감이나 장식품 등과 같은 가정 용품은 물론 자동차나 비행기의 기계 장치나 치과 등의 의료 분야에 이르기까지 활용 분야가 광범위하다. 뿐만 아니라, 설비의 교체없이 입체물의 모델링 데이터를 변경하는 것만으로도 일괄된 프로세스에 따라 다양한 입체물을 만들어낼 수 있어 최근의 다품종 소량 생산이나 소비자 맞춤형 제품의 제작에도 적절하여, 향후 산업 전반에 걸쳐 제조 기술의 큰 변화를 가져올 것으로 기대되어 제3의 산업혁명으로 불리우기도 한다.

본 발명의 목적은 비교적 성능이 우수한 멀티 컬러 3D 프린터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멀티 컬러 3D 프린터는 필라멘트의 직경오차를 극복할 수 있는 보우덴 방식의 익스트루더와; 적층안정성 확보를 위한 최소영역의 서포트 지지부와; 시료를 공급하는 핫엔드를 포함한다.

여기서, 상기 익스트루더는 다중색상 표현이 가능한 것이 바람직하다.

그리고 상기 익스트루더는 장력을 높이는 설계 방식으로 재료의 출력속도를 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 멀티 컬러 3D 프린터는 비교적 성능이 우수하다.

도 1은 델타로봇기반의 FDM 3D프린터 챔버를 나타낸 설명도이고,
도 2는 필라멘트의 원활한 공급을 위한 익스트루더를 나타낸 사시도이고,
도 3은 적층 안정성 확보를 위한 최소영역의 서포트 지지부의 설명도이고,
도 4는 본 발명에 따른 핫엔드를 나타낸 사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

일반적으로 종래의 3D 프린팅 기술은 단일 컬러만 표현할 수 있거나 혹은 제한된 형태의 컬러 표현만이 가능했다. 예를 들어, SLA 방식이나 SLS 방식의 경우에는 입체물(M)은 소재가 되는 물질의 원래 컬러에 따른 단일 컬러만을 가질 수 있으며, FDM 방식의 경우에는 서로 색상이 다른 필라멘트를 함께 사용하는 것으로 제한적으로나마 멀티 컬러 입체물(M)의 제조가 가능하지만 이를 위해서는 필라멘트를 색상 별로 구비해야 할 뿐 아니라 필라멘트 색상이 충분히 다양하지 못해 결국 색상 표현에 제한이 있었다.

이처럼 종래의 3D 프린팅에서 컬러 표현에 제약이 있는 것은, 레이어(L) 단위로 경화 내지는 고형화시켜 이를 적층시켜 입체물(M)을 형성하는 3D 프린팅 기술의 특성 상 동시에 여러 소재를 운용하기 어려우며 그 소재가 가지는 물질 자체의 색상, 즉 물질색이 바로 입체물(M)의 색상으로 적용되기 때문이다.

본 발명에 따른 3D프린터는 온도 조정을 위한 내부 챔버를 갖는다. 도 1에서와 같이, 상단의 원형 히팅펜과 하단의 히팅베드를 이용한 내부 온도챔버를 포함한다. 내부 챔버는 펌웨어 제어를 통한 3D 출력물의 축틀림/늘어짐 발생 예방 최적온도 유지할 수 있고, 또한 온도센서의 내부 장착을 통한 내부 온도를 유지할 수 있다.

도 2는 필라멘트의 원활한 공급을 위한 익스트루더를 나타낸 사시도이다. 본 발명에 따른 익스트루더는 필라멘트의 직경오차를 극복할 수 있는 보우덴 방식이다. 본 발명에 따른 익스트루더는 개별 익스트루더의 장력을 높여주는 설계 방식으로 재료의 출력속도 제어가능하다.

도 3은 적층 안정성 확보를 위한 최소영역의 서포트 지지부의 설명도이다. 도 3에서와 같이, 본 3D프린터는 적층 안정성 확보를 위한 최소영역의 서포트 지지부를 갖는다. 본 지지부는 최소두께의 서포트 부위는 제품 제작 후 간단한 후처리로 분리 가능하다.

3D 구조물을 형성하는 기술에는 열 가소성 플라스틱류를 압출하여 적층하는 방식, 액체 상태의 '광경화성 수지'가 담긴 수조(Vat) 안에 레이저 빔을 투사하고 수조 안에 있는 조형물이 한 층(Layer) 씩 만들어질 때마다 수조가 층 두께만큼 하강하고 다시 레이저를 주사하여 입체 구조물을 형성하는 방식, 액체 상태의'광경화성 수지(빛을 받으면 경화되는 수지)'에 조형하고자 하는 모양의 빛을 투사하면서 수지를 층층이 굳혀 입체 구조물을 형성하는 방식, 잉크젯 프린터 원리를 이용하여 프린터 헤드의 노즐에서 액체 상태의 컬러 잉크와 경화물질(바인더)을 분말 원료에 압출하여 입체 구조물을 형성하는 방식 등 다양한 방식이 있다.

이 가운데 열 가소성 플라스틱류를 압출하여 적층하는 방식은 하나의 동일한 액화 원료(플라스틱, 왁스, 금속 등)를 지정(목표)된 범위에 적층시켜 입체 구조물을 완성 시킨다. FFF(Fused Filament Fabrication) 또는 FDM(Fused Deposition Modeling)로 불리는 이러한 기술 방식을 이용한 노즐 조립체는, 도 1에 도시된 바와 같이 롤러(20)의 회전에 의해 원료(10)가 노즐(30)로 공급되고, 높은 열에 의해 원료가 녹아 압출된다. 그러나, 종래의 노즐 조립체는, 열화 막힘 현상, 즉, 장시간 프린트 작업을 지속하는 경우 필라멘트 용융에 필요한 고온의 열이 온도 상승 위치 뿐 아니라 필라멘트 삽입부까지 가해지게 되어 필라멘트 용융·토출을 방해하고 이에 따라 노즐의 막힘 현상을 유발하는 문제점이 있다. 따라서, 종래 장치에 의하면 장시간 사용 시 열화 막힘 현상이 발생함에 따라 필라멘트 용융액이 노즐 조립체 밖으로 빠져나오게 되고, 보수 작업을 위하여 장치 전체를 분해한 후 노즐부를 교체해야 하는 단점을 갖는다.

산업용 3D 프린터는 제조업의 시제품 개발주기 단축원가절감 및 의료 분야의 맞춤형 의료 도구 및 수술 연습용 도구 제작에 주로 활용된다. 산업용 3D 프린터는 전자제품, 자동차 부품, 건설기계의 조이스틱, 완구 제작에 이용된다. 그리고 사용자 혹은 환자에게 적합한 맞춤형 안경, 보청기, 치과 교정기 또는 신체의 일부를 3D 프린터로 제작하는 사례가 증가하고 있다.

최근에는 스포츠 마케팅 등 엔터테인먼트 산업에서 3D 프린터를 활용하는 사례도 등장했다. 팬이 직접 선수의 체형, 얼굴, 배번을 선택해 3D 프린터로 소속 선수의 피규어를 제작하는 이벤트를 진행하고 있다.

국내 산업용 3D 프린터 시장 규모는 2012년 약 300억원으로 추정되며, 대부분 해외 선도 기업의 수입 제품이다. 그리고 세중정보기술이 3D Systems, USL(美), Formtech 등의 제품을 판매하고 있으며, 시스옵엔지니어링은 Stratasys, Objet 제품을 판매하고 있다.

2012년 10월 3D Systems는 국내 3D 스캐너 및 SW 개발업체 아이너스 기술을 3,500만 달러에 인수한 바 있다. 2012년 국내에 설치된 3D 프린터 1,300여대 중 캐리마와 인스텍의 제품은 약 40대 정도로 극히 미미하다. 캐리마의 3D 프린터 누적 판매대수는 약 70대 정도이며, 그 중 60%는 해외 수출에 의존하고 있다. 2009년부터 전년대비 30~40%씩 성장하고 있으며, 2013년 상반기에 2012년 실적을 초과하는 등 성장세는 가파른 편이다.

Claims (3)

1. 멀티 컬러 3D 프린터에 있어서,
   필라멘트의 직경오차를 극복할 수 있는 보우덴 방식의 익스트루더와;
   적층안정성 확보를 위한 최소영역의 서포트 지지부와;
   시료를 공급하는 핫엔드를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 컬러 3D 프린터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 익스트루더는 다중색상 표현이 가능한 것을 특징으로 하는 멀티 컬러 3D 프린터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 익스트루더는 장력을 높이는 설계 방식으로 재료의 출력속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 멀티 컬러 3D 프린터.

Images