KR20190073717A

KR20190073717A - 3d 프린터의 z축 구동부 구조

Info

Publication number: KR20190073717A
Application number: KR1020170174825A
Authority: KR
Inventors: 전현
Original assignee: 전현
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-06-27

Abstract

본 발명은 중-대형 3D 프린터 베드의 좌, 우 높이가 달라지는 현상을 방지하기 위해 고안된 Z축 구동부의 구조에 관한 것이다. 이를 위해 기존 2기의 스테핑 모터에 2기의 TM ROD를 각각 직접 연결하던 기존 방식에서 탈피하여, 1기의 스테핑 모터와 직접 연결되어있는 TM ROD에 풀리 기어를 설치한 뒤 맞은편 TM ROD에 고정된 풀리 기어 기어와 LOOP TYPE 타이밍 벨트로 연결하는 방식(이하 A-TYPE), 그리고 프레임의 좌, 우측에 고정되어 있는 2기의 TM ROD에 풀리 기어를 각각 설치한 뒤 스테핑 모터와 LOOP TYPE 타이밍 벨트로 각각 동시에 연결하는 방식(이하 B-TYPE)이 고안되었다. 본 발명에서 고안된 Z축 구동 구조를 사용하여 베드의 높이를 주기적으로 조절해야하는 불편함을 덜고, 부품의 마모를 억제하여 부품의 수명을 연장시킬 수 있으며, 베드의 이동을 위한 Z축 구동부에 사용되는 스테핑 모터의 수를 줄여 3D프린터 제작에 소요되는 총 비용을 감소시킬 수 있다.

Description

3D 프린터의 Z축 구동부 구조{Z AXIS DRIVING PARTS STRUCTURE OF 3D PRINTER}

본 발명은 FDM 방식 3D 프린터 프린팅 베드(이하 베드)의 Z축 이동을 위해 제작된 구동부 구조에 관한 것이다.

최근 다양한 분야에서 시제품 제작을 위해 3D 프린터가 활용되고 있다. 보다 많은 사람들이 3D 프린터를 활용할 수 있도록 하기 위한 많은 사람들의 노력으로 최근 200㎝ X 200㎝ 사이즈 베드를 사용하는 저렴한 가격대의 소형 3D 프린터가 다수 출시되고 있으며, 대형 출력물 제작을 위해 300㎝ X 300㎝ 사이즈 베드를 사용하는 중-대형 3D 프린터 또한 출시되고 있다.

현재 보급형 중-대형 3D 프린터들은 대부분 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식이 사용된다. 원료로 사용되는 필라멘트의 가격이 다른 방식에서 사용되는 원료에 비해 저렴하여 중-대형 출력물 제작시 비용면에서 유리하기 때문이다. FDM 방식 3D 프린터의 출력은 원료로 사용되는 필라멘트를 용융 압출 시키는 노즐을 가진 프린트 헤드가 프린팅 영역을 직접 이동하며 적층하는 방식으로 이루어지며, 첫번째 레이어 출력 시 베드와 노즐의 간격을 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다. 노즐과 베드의 간격이 너무 벌어져 있거나 베드의 높이가 일정하지 않을 경우, 압출된 필라멘트가 베드의 표면에 부착되지 못하여 노즐 끝에서 뭉치거나 출력 중 출력물이 수축되고 베드에 대한 부착력이 상실되어 출력이 실패하는 경우가 발생한다. 때문에 이러한 현상을 방지할 수 있도록 반복적인 출력에도 안정적으로 수평을 유지할 수 있는 중-대형 3D 프린터용 구동부가 필요하다.

최근 출시되고 있는 200㎝ X 200㎝ 사이즈 소형 베드를 사용하는 FDM 방식 3D 프린터의 Z축 구동부는 대부분 구동을 위한 스테핑 모터 1기와 여기에 연결된 TM ROD 1기, 그리고 볼 부싱과 연결된 슬라이드 레일 2기를 사각형 베드의 한쪽 방향에 모두 설치하는 방식을 채택하고 있다. 그러나 300㎝ X 300㎝ 사이즈 중-대형 알루미늄 베드의 Z축 구동부를 상기된 방식대로 제작할 경우, 알루미늄 베드 및 베드 지지체, 그리고 출력물의 무게에 의하여 볼 부싱이 베드가 설치된 방향으로 기울어지며 볼 부싱 내부의 볼에 불균일한 압력이 가해지게 된다. 이와 더불어 볼 부싱과 함께 베드 지지체 또한 기울어져 여기에 연결된 TM ROD와 이동 나사(볼, 스크류 너트)의 나사산에도 압력이 가해지고, TM ROD 구동 회전 시 나사산이 마모된다.

스테핑 모터 2기 및 TM ROD 2기를 프레임의 좌, 우 양쪽에 설치한 Z축 구동부의 경우, 동일한 규격의 스테핑 모터와 TM ROD를 사용하더라도 각각의 스테핑 모터에 가해지는 미세한 전기 신호의 차이 및 TM ROD의 나사산에 가해지는 압력 차이에 의해 스테핑 모터의 회전각에 차이가 발생하며, 이로 인해 베드의 좌, 우 높이가 달라지게 된다. 이를 보정하지 않고 출력을 반복하면 베드의 좌, 우 높이 차이가 점차 증가하게 되어 나사산이 마모되기 시작하고 소음이 발생한다. 또한 진동이 발생하여 출력물 품질이 저하되며, 결국 이동 나사(볼, 스크류 너트)가 TM ROD의 나사산에 끼어 베드가 더 이상 움직이지 않게 된다.

본 발명에서 고안된 3D 프린터의 Z축 구동부는 2기의 스테핑 모터에 2기의 TM ROD를 각각 직접 연결하던 기존 방식에서 탈피하여, 베드의 이동을 위해 설치된 1기의 스테핑 모터와 프레임의 좌, 우에 각각 설치된 2기의 TM ROD를 LOOP TYPE 타이밍 벨트를 사용하여 다양한 방법으로 연결하여 제작되었다. 1기의 스테핑 모터와 직접 연결되어있는 TM ROD에 풀리 기어를 설치한 뒤 맞은편 TM ROD에 고정된 풀리 기어와 LOOP TYPE 타이밍 벨트로 연결하는 방식(이하 A-TYPE), 그리고 프레임의 좌, 우측에 고정되어 있는 2기의 TM ROD에 설치된 각각의 풀리 기어와 스테핑 모터를 LOOP TYPE 타이밍 벨트로 각각 동시에 연결하는 방식(이하 B-TYPE)이 고안되었다. 상기된 두 방식 모두 베드의 무게를 좌, 우로 분산하여 부품에 가해지는 압력을 줄이고 수명을 향상시킬 수 있도록 프레임 좌, 우에 2기의 TM ROD를 설치하는 방식을 채택하였으며, 2기의 TM ROD를 1기의 스테핑 모터가 회전시키는 구조로 제작하여 2기의 스테핑 모터를 사용할 경우 회전각 차이에 의해 베드의 높이가 달라지는 현상을 방지하였다.

중-대형 사이즈 베드를 사용하는 3D 프린터를 사용함에 있어 베드의 높이를 주기적으로 조절해야하는 불편함을 덜고, 부품의 마모를 억제하여 수명을 연장시키는 효과가 있다. 그리고 베드의 이동을 위한 Z축 구동부에 사용되는 스테핑 모터의 수를 줄여 3D프린터 제작에 소요되는 총 비용을 감소시키는 효과가 있다.

도 1. A-TYPE Z축 구동부의 모식도
도 2. A-TYPE Z축 구동부가 적용된 3D 프린터의 모식도
도 3. B-TYPE Z축 구동부의 모식도
도 4. B-TYPE Z축 구동부가 적용된 3D 프린터의 모식도
도 5. 풀리 기어 및 베어링 고정을 위해 양 끝단에 나사산 가공을 하지 않은 TM ROD의 모식도

본 발명은 베드의 Z축 이동을 위해 프레임의 좌, 우에 설치된 2기의 스테핑 모터에 전달되는 미세한 전기 신호 차이, 그리고 해당 모터에 각각 연결된 TM ROD의 나사산에 가해지는 압력 차이에 의하여 베드의 좌, 우 높이가 달라지는 현상을 완화시킨 Z축 구동부 구조에 관한 것이다. 하기에 작성된 실시예는 Z축 구동과 더불어 3D 프린터의 정상적인 구동을 위한 전기 장치의 최적화 및 레일의 정렬, 그리고 타이밍 벨트의 장력 조절을 위한 구조적 설계가 완벽하게 이루어졌다는 사실을 전제로 한다. 또한 Z축 구동부의 제작 용이성을 위해 레일 고정을 위한 판상구조체를 활용하여 Z축 구동부를 형성하는 3D 프린터를 기준으로 하여 설명하였으나, 본 발명에서 고안된 스테핑 모터와 TM ROD의 연결 방식은 다른 방식으로 제작된 3D 프린터에 적용될 수 있으며, TM ROD 역시 스크류 너트용 및 볼 너트용 등 다양한 종류가 사용될 수 있다.

먼저 도 1및 도 2를 참고하여 A-TYPE 구동부에 대해 자세히 설명한다. A-TYPE 구동부는 Z축 구동을 위한 스테핑 모터(1) 1기를 프레임의 좌측 또는 우측의 상단 또는 하단에 설치하고, 이것을 TM ROD(3)와 직결하거나 커플러(2)를 사용하여 결속하며, 모터(1)와 연결된 TM ROD(3) 하단에 설치된 풀리 기어(5)와 맞은편 TM ROD(7) 하단에 설치된 풀리 기어(9)가 타이밍 벨트(10)로 연결되는 형태를 가장 큰 특징으로 한다. 상기된 스테핑 모터(1)와 연결된 TM ROD(3)는 상단 판상 구조체(13)와 베드 지지체(11)를 관통한 후 하단 판상 구조체(16)에 설치되어있는 베어링(4)을 관통하여 고정되며, 하부에 돌출된 TM ROD의 끝단에 풀리 기어(5)가 설치된다. 맞은편 TM ROD의 경우 상단 판상 구조체(14)와 베드 지지체(11)를 관통한 후 하단 판상 구조체(17)에 설치되어 있는 베어링(8)을 관통하여 고정되며, 본 TM ROD의 상단부 역시 베어링(6)에 의해 고정된다. 그리고 하단 베어링(8) 아래쪽으로 돌출된 TM ROD의 끝단에 풀리 기어(9)가 설치된다. 각각 TM ROD 끝단에 설치된 풀리 기어 (5, 9)는 타이밍 벨트(10)로 연결되며, 모터(1)에서 발생된 구동력이 직결되어있는 TM ROD(3)를 회전시키고, 이에 연결된 타이밍 벨트(10)에 전달되어 맞은편 TM ROD(7)를 함께 회전시키는 원리이다. 타이밍 벨트의 장력이 약할 경우 동력 전달이 불가하여 정상적인 작동이 불가능할 수 있으므로, 기구 설계 단계에서 사용될 타이밍 벨트의 둘레에 적합하도록 풀리 기어 사이의 거리를 조절해야 한다. 스테핑 모터(1)와 TM ROD(3)를 완충골이 형성되어있는 커플러를 사용하여 연결할 경우, 커플러가 파손되거나 스테핑 모터(1)의 동력이 커플러(2)에서 상쇄되어 정확한 Z축 이동이 불가능할 수 있으므로 고정형(직결형) 커플러를 사용하는 것을 추천한다. 또한 모터의 토크가 부족할 경우 구동이 불가할 수 있으므로 충분한 사양의 모터 및 드라이버를 사용해야 한다.

다음으로 도 3 및 도 4를 참고하여 B-TYPE 구동부에 대하여 자세히 설명한다. B-TYPE 구동부는 Z축 구동을 위해 프레임 하단에 고정된 스테핑 모터(24)의 2열 풀리 기어(23)가 프레임의 좌, 우측에 설치되어있는 TM ROD(19, 28)에 고정된 풀리 기어(20, 26)와 타이밍 벨트(22, 25)로 각각 동시에 연결되어있는 형태를 특징으로 한다. 베드의 이동을 위해 2기의 TM ROD(19, 28)가 프레임의 좌, 우측에 각각 설치되며 각각 TM ROD의 상단부 및 하단부 모두 베어링(18, 21, 27, 29)에 의하여 고정된다. 하단에 고정된 베어링 아래쪽으로 돌출된 TM ROD 끝단에 풀리 기어(20, 26)가 각각 설치되며 이는 다시 스테핑 모터(24)에 설치된 2열 풀리 기어(23)와 타이밍벨트(22, 25)로 각각 동시에 연결된다. 프레임의 좌, 우에 설치된 각각 TM ROD(19, 28)의 상단과 하단 모두가 베어링(18, 21, 27, 29)에 의하여 결속되어있기 때문에 안정적인 회전이 가능하여 와블 현상을 감소시킬 수 있고, 커플러를 사용하지 않기 때문에 각 TM ROD에 직접적인 동력 전달이 가능하다. 반면에 프레임의 좌, 우측에 설치된 풀리 기어(20, 26)와 각각 연결되어있는 타이밍 벨트(22, 25)의 장력이 동일하지 않을 경우 풀리 기어(23)와 연결된 두 TM ROD(19, 28)의 회전각에 차이가 발생하기 때문에, 이를 방지하기 위해 설계 단계에서 스테핑 모터(24)의 위치 및 TM ROD(19, 28)의 설치 간격이 신중하게 고려되어 적용되어야 한다. 스테핑 모터의 위치 외에 TM ROD 및 베어링 설치 방법은 A-TYPE과 동일하며, 마찬가지로 충분한 사양의 모터 및 드라이버를 사용해야 한다.

A-TYPE, B-TYPE의 Z축 구동부를 제작하기 위하여 다양한 형태의 베어링이 사용될 수 있으나, 나사산이 가공되어 있는 TM ROD를 베드 지지체에 고정된 이동 나사(볼, 스크류 너트)에 관통시키기 위해 돌려가면서 삽입한 뒤 고정시켜야 하므로, 나사산의 마모를 방지하기 위하여 본 특허의 모식도(도2, 도4)에 나와있는 구조대로 상부에서 TM ROD를 삽입하여 상단 판상 구조체(13, 14, 31, 32) 및 베드 지지체(15, 33)를 관통시킨 후 미리 설치된 하단 베어링(4, 8, 21, 27)을 관통시켜 고정한 뒤, 판상 구조체 상부에 베어링(6, 18, 29)을 설치하여 TM ROD(3, 7, 19, 28)를 고정하는 설치 방식을 추천한다. 또한 나사산이 가공된 기존 형태의 TM ROD에 베어링 및 풀리 기어를 고정할 수는 있으나, 불균일한 표면 때문에 고정 볼트가 풀리거나 베어링 및 풀리 기어가 기울어질 수 있으므로, 양 끝단에 나사산 가공을 하지 않은 환봉(36, 38) 형태를 가진 TM ROD(37)를 사용하는 것을 추천한다. 사용되는 타이밍 벨트의 두께, 스테핑 모터 및 드라이버 등 하드웨어적인 조건 및 Z 축 이동 속도 등 소프트웨어적 설정은 사용자의 사용 목적 및 상황에 의하여 달라질 수 있다.

1, 24: 스테핑 모터
4, 6, 8, 18, 20, 27, 29: 베어링
2: 커플러
5, 9, 20, 23, 26: 풀리 기어
39, 40, 41, 42: 볼 스크류 너트 또는 나사 스크류 너트
3, 7, 19, 28: TM ROD
11, 15, 33: 베드 지지체
10, 22, 25: 타이밍 벨트
13, 14, 31, 32: 레일 및 TM 로드 고정용 상단 판상 구조체
16, 17, 34, 35: 레일 및 TM 로드 고정용 하단 판상 구조체
12, 30: 프레임
36, 38: TM 스크류의 베어링 및 풀리 기어 고정부
37: TM 스크류의 나사산

Claims

베드의 Z축 구동을 위해 베드 지지체(11)에 고정되는 스크류 너트 또는 볼 너트(39, 40)와 결합되도록 프레임 좌, 우에 각각 배치된 2기의 TM ROD(3, 7) 중, 한 기의 TM ROD(3) 상단 또는 하단이 Z축 구동을 위한 스테핑 모터(1)와 직접 또는 커플러(2)를 사용하여 결속되며, 동일한 TM ROD의 다른 한쪽에 TM ROD를 프레임에 고정하고 스크류를 회전시키기 위한 베어링(4)이 설치되고, TM ROD 하단에 타이밍 벨트(10) 장착을 위한 풀리 기어(5)가 설치되며, 다른 한 기의 TM ROD(7)의 상단에 동일한 목적으로 베어링(6)이 설치되고 하단에 베어링(8) 및 풀리 기어(9)가 설치되며, 양쪽 TM ROD(3, 7)에 각각 설치되어있는 풀리 기어(5, 9)를 타이밍 벨트(10)로 연결한 형태를 특징으로 하는 Z 축 구동부 구조 또는 이를 사용하는 3D 프린터.
베드의 Z축 구동을 위해 베드 지지체(43)에 고정되는 스크류 너트 또는 볼 너트(41, 42)와 결합되도록 프레임 좌, 우에 각각 배치된 2기의 TM ROD(19, 28) 상단에 TM ROD를 프레임에 고정하고 스크류를 회전시키기 위한 베어링(18, 29)이 각각 설치되고, 하단에 동일한 목적의 베어링(21, 27) 및 타이밍 벨트의 장착을 위한 풀리 기어(20, 26)가 각각 설치되며, Z축 구동을 위해 프레임 하부에 설치된 스테핑 모터(24) 1기의 풀리 기어(23)와 프레임 좌, 우에 설치된 2기의 TM ROD(19, 28)하단에 설치된 풀리 기어(20, 26)가 타이밍 벨트(22, 25)를 사용하여 각각 동시에 연결되는 형태를 특징으로 하는 Z축 구동부 구조 또는 이를 사용하는 3D 프린터.