KR20190077711A

KR20190077711A - 3d프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치

Info

Publication number: KR20190077711A
Application number: KR1020170179121A
Authority: KR
Inventors: 윤해룡; 김숙환; 차준호
Original assignee: 재단법인경북테크노파크
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-07-04

Abstract

3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치에 관한 것으로,
합성수지 필라멘트를 히팅 및 교반유닛 쪽으로 공급하는 필라멘트 공급유닛; 필라멘트 공급유닛의 내부 하부에 마련되고, 필라멘트 공급유닛에서 공급되는 합성수지 필라멘트를 용융하는 동시에 CNT 공급유닛에서 공급되는 CNT를 용융 합성수지 필라멘트와 혼합하는 히팅 및 교반유닛; 히팅 및 교반유닛의 하부에 마련되고, 히팅 및 교반유닛에서 혼합된 CNT 복합 필라멘트를 노즐쪽으로 압출하는 익스트루더; 익스트루더의 하부에 마련되고, 익스트루더로부터 공급되는 CNT 복합 필라멘트를 베드로 토출하는 노즐; 및 히팅 및 교반유닛의 일측에 설치되고, 히팅 및 교반유닛에 작은 크기로 절단된 CNT를 공급하는 CNT 공급유닛;을 포함하는 기술 구성을 통하여
강도와 탄성률이 탁월하여 고분자 복합재료의 유망한 강화재로 적용되고 있는 탄소나노튜브를 용융 합성수지 필라멘트에 혼합하여 탄소나노튜브 복합 필라멘트를 토출할 수 있게 되므로 하여 고강도 제품을 프린팅할 수 있게 되는 것이다.

Description

3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치 { CNT MIXED FILAMENT DISCHARGE HEAD APPARARUS FOR 3D PRINTER }

본 발명은 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 탄소나노튜브가 혼합된 합성수지 필라멘트를 토출하는 것에 의해 항공우주, 의료, 국방, 항공, 차량 부속 등으로 사용될 만큼 강도 및 경도를 확보하여 탁월한 내구성이 요구되는 자동차 부품산업에 및 소모품산업에 사용되는 고강도 제품을 생산할 수 있도록 하는 것에 관한 것이다.

본 발명은 특히 여러가지 다양한 3D프린터 방식중의 하나로 PLA(Poly Lactic Acid), ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) 등와 같은 열가소성의 합성수지 필라멘트를 녹여 압출하는 방식으로 조형물의 형태를 프린팅하는 FDM(Fused Deposition Modeling, 용융 적층 모델링)방식 3D프린터의 필라멘트 토출 헤드장치에 관계한다.

도 1은 본 발명이 관계하는 FDM방식 3D프린터의 필라멘트 토출 헤드장치의 구성도이다.

여러가지 3D프린터 방식중에서 가장 흔하게 사용되는 3D프린팅 방식인 FDM방식 3D프린터에 있어서 필라멘트 토출 헤드장치는 도 1과 같이 필라멘트 스풀(30)에 감긴 필라멘트(F)를 익스트루더(23)쪽으로 공급하는 필라멘트 공급유닛(21); 필라멘트(F)를 용융하는 히팅블록(22); 용융된 필라멘트(F)를 노즐(24)쪽으로 압출하는 익스트루더(23); 그리고 용융 필라멘트(F)를 베드(40)로 토출하는 노즐(24);을 포함한다.

상기 필라멘트 토출 헤드장치(20)에서 노즐(24)에 익스투르더(23)가 히팅블록(22)에 의해 용융된 필라멘트(F)를 밀어 넣으면 노즐(24)을 통해 베드(40)로 토출되고, 노즐(24)에서 토출되는 용융 필라멘트(F)를 원하는 모양으로 베드(40)에 적층하면 용융 필라멘트(F)가 상온에서 냉각 및 경화되어 원하는 조형물의 형태로 프린팅된다.

상기 필라멘트 토출 헤드장치(20)는 X축방향 및 Y축방향으로 움직이면서 정해진 위치에 용융 필라멘트를 토출하고, 조형물이 적층되는 베드(40)는 Z축방향으로 움직이면서 재료의 적층량을 조절하게 된다.

하기의 특허문헌 1에는 3D 프린터용 헤드 어셈블리가 개시되어 있다.

특허문헌 1의 3D 프린터용 헤드 어셈블리는 피딩바디와, 피딩롤러가 설치되며 코일스프링에 의해 탄력 회동하는 롤러브라켓과, 필라멘트를 스텝모터의 구동력으로 압송하는 피딩기어를 구비하여 성형 재료인 필라멘트를 공급하는 피딩부와; 상기 피딩부에서 공급되는 필라멘트가 투입되는 노즐과, 상기 노즐로 투입된 필라멘트를 용융하는 히팅수단을 구비하여 필라멘트를 용융시켜 분사하는 용융분사부와; 냉각팬이 설치되어 냉각풍을 생산하는 냉각챔버와, 냉각풍을 중앙의 바람배출구로 유도 배출하는 윈드가이드로 구성되어 용융분사부에서 분사된 용융액을 냉각하는 쿨링부를 포함한다.

하기의 특허문헌 2에는 금속의 모재를 가열하여 용융시키기 위한 모재 유도가열 헤드와 금속의 소재를 용융해서 공급하기 위한 소재 유도가열 헤드를 구비한 3D프린터가 개시되어 있다.

특허문헌 2의 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D프린터는 금속 소재 공급유닛과, 고주파 전원유닛과, 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결되어 금속 소재 공급유닛으로부터 공급되는 금속 소재를 유도가열하고 융융시켜서 공급하기 위한 소재 유도가열 헤드와, 소재 유도가열헤드와 이웃하게 배치되고 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결된 모재 유도가열 헤드와, 베이스를 포함한다.

한편, FDM방식 3D프린터는 고체 합성수지 필라멘트가 가열된 노즐을 통해 베드로 토출되어 얇은 두께로 적층되고 노즐을 통과하여 베드로 토출되어 적층되는 용융 필라멘트는 신속하게 경화되어 층층이 쌓이게 된다.

그러나 FDM방식 3D프린터에서 주로 사용되는 PLA(Poly Lactic Acid), ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) 등와 같은 열가소성의 합성수지 필라멘트는 원재료의 물성구현이 제대로 되지 않고 비교적 낮은 인장강도를 갖고 있어 간단한 시제품 생산용으로만 사용되고 있는 실정이다.

따라서 자동차 부품 등 고강도 부품에 적용하기 위해서는 강도를 향상시키기 위한 복합재료에 대한 연구가 필요하다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0122504호 (2015년 11월 02일 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0136969호 (2016년 11월 30일 공개)

전술한 바와 같이 특허문헌 1 및 특허문헌 2를 포함한 종래 대부분의 3D프린터의 필라멘트 토출 헤드장치는 하나의 합성수지 필라멘트를 용융하여 토출하는 방식이기 때문에 전술한 바와 같이 항공우주, 의료, 국방, 항공, 차량 부속 등으로 사용될 만큼 강도 및 경도를 확보하여 탁월한 내구성이 요구되는 자동차 부품산업에 및 소모품산업에 사용되는 고강도 제품을 생산하기에 적합하지 않다.

본 발명은 상기 종래 기술에 따른 3D프린터의 필라멘트 토출 헤드장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 표면적이 크고 종횡비가(aspect ratio)가 높으며 강도와 탄성률이 탁월하여 고분자 복합재료의 유망한 강화재로 적용되고 있는 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube)를 용융 합성수지 필라멘트와 혼합한 탄소나노튜브 복합 필라멘트를 토출하는 것에 의해 자동차 부품산업에 및 소모품산업에 사용되는 고강도 제품을 생산할 수 있도록 하는 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치를 제공하는 데에 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치는 합성수지 필라멘트를 히팅 및 교반유닛 쪽으로 공급하는 필라멘트 공급유닛; 필라멘트 공급유닛의 내부 하부에 마련되고, 필라멘트 공급유닛에서 공급되는 합성수지 필라멘트를 용융하는 동시에 CNT 공급유닛에서 공급되는 CNT를 용융 합성수지 필라멘트와 혼합하는 히팅 및 교반유닛; 히팅 및 교반유닛의 하부에 마련되고, 히팅 및 교반유닛에서 혼합된 CNT 복합 필라멘트를 노즐쪽으로 압출하는 익스트루더; 익스트루더의 하부에 마련되고, 익스트루더로부터 공급되는 CNT 복합 필라멘트를 베드로 토출하는 노즐; 및 히팅 및 교반유닛의 일측에 설치되고, 히팅 및 교반유닛에 작은 크기로 절단된 CNT를 공급하는 CNT 공급유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치에서 CNT 공급유닛은, 일측 부위가 히팅 및 교반유닛의 내부에 삽입되는 공급관; 공급관의 일측 상부에 설치되고, 공급관에 작은 크기로 절단된 CNT를 투입할 수 있도록 하는 호퍼; 공급관의 내부에 설치되고, 호퍼를 통해 공급관에 투입된 CNT를 히팅 및 교반유닛의 내부로 이송시키는 이송스크류; 및 이송스크류의 일측에 설치되고, 이송스크류를 회전 구동시키는 구동모터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치에 의하면, 강도와 탄성률이 탁월하여 고분자 복합재료의 유망한 강화재로 적용되고 있는 탄소나노튜브를 용융 합성수지 필라멘트에 혼합하여 탄소나노튜브 복합 필라멘트를 토출할 수 있게 되므로 하여 고강도 제품을 프린팅할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치에 의하면, 3D프린터를 통해 자동차 부품산업에 및 소모품산업에 사용되는 고강도 제품을 생산할 수 있게 함으로써 3D프린터의 상품성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명이 관계하는 FDM방식 3D프린터의 필라멘트 토출 헤드장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치의 요부 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치를 통해 토출되는 탄소나노튜브 복합 필라멘트의 입자 구성도.

이하 본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.

도 2는 본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치의 요부 구성도이다.

본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치(100)는 필라멘트 공급유닛(110), 히팅 및 교반유닛(120), 익스트루더(130), 노즐(140)을 포함하고, CNT 공급유닛(150)을 더 포함한다.

필라멘트 공급유닛(110)은 필라멘트 스풀에 감긴 합성수지 필라멘트(F)를 히팅 및 교반유닛(120) 쪽으로 공급한다.

히팅 및 교반유닛(120)은 필라멘트 공급유닛(120)에서 공급되는 합성수지 필라멘트(F)를 용융하고, CNT 공급유닛(150)에서 공급되는 CNT를 용융 합성수지 필라멘트와 혼합하는 부분으로, 필라멘트 공급유닛(120)의 내부 하부에 마련된다.

익스트루더(130)는 히팅 및 교반유닛(120)에서 혼합된 CNT 복합 필라멘트를 노즐(140)쪽으로 압출하는 부분으로, 히팅 및 교반유닛(120)의 하부에 마련된다.

노즐(140)은 익스트루더(130)로부터 공급되는 CNT 복합 필라멘트를 베드로 토출하는 것으로, 익스트루더(130)의 하부에 마련된다.

CNT 공급유닛(150)은 히팅 및 교반유닛(120)에 작은 크기로 절단된 CNT를 공급하는 부분으로, 히팅 및 교반유닛(120)의 일측에 설치된다.

CNT 공급유닛(150)은 공급관(151), 호퍼(152), 이송스크류(153), 구동모터(154)를 포함한다.

공급관(151)는 CNT가 이동하는 통로 부분으로, 일측 부위가 히팅 및 교반유닛(120)의 내부에 삽입된다.

호퍼(152)는 공급관(151)에 작은 크기로 절단된 CNT를 투입할 수 있도록 하는 것으로, 공급관(151)의 일측 상부에 설치된다.

이송스크류(153)는 호퍼(153)를 통해 공급관(151)에 투입된 CNT를 히팅 및 교반유닛(120)의 내부로 이송시키는 것으로, 공급관(151)의 내부에 설치된다.

구동모터(154)는 이송스크류(153)를 회전 구동시키는 것으로, 이송스크류(153)의 일측에 설치된다.

본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치(100)에서 필라멘트 공급유닛(110)의 작동 및 CNT 공급유닛(150)의 작동은 별도의 제어유니트(미도시)를 통해 제어된다.

본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치(100)는 노즐(140)을 통해 탄소나노튜브(CNT)와 합성수지가 혼합된 탄소나노튜브 복합 필라멘트를 토출하여 고강도의 제품을 프린팅할 수 있도록 한다.

즉, 본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치(100)에서는 필라멘트 공급유닛(110)를 통해 PLA 또는 ABS와 같은 열가소성 합성수지 필라멘트(F)가 공급되는 히팅 및 교반유닛(120)에 CNT 공급유닛(150)을 통해 작은 크기로 절단된 CNT가 추가 공급된다.

히팅 및 교반유닛(120)는 열가소성 합성수지 필라멘트(F)를 용융하는 동시에 용융 합성수지 필라멘트에 작은 크기로 절단된 CNT를 혼합한다.

도 4는 본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치를 통해 토출되는 탄소나노튜브 복합 필라멘트의 입자 구성도이다.

도 4와 같이 CNT 입자들은 서로 엉겨 붙으려는 성질이 있고, 그에 따라 PLA 입자와 CNT 입자들이 혼합되어 기존 PLA보다 강성이 강화된 CNT 복합 필라멘트가 토출된다.

3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치(100)에서 히팅 및 교반유닛(120)에서 혼합된 탄소나노튜브 복합 필라멘트는 익스트루더(130)를 통해 압출되고, 노즐(140)를 통해 베드로 토출되어 고강도 제품을 프린팅하게 된다.

이처럼 본 발명에 따른 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치(100)는 노즐(140)을 통해 탄소나노튜브 복합 필라멘트를 토출하여 고강도 제품을 프린팅할 수 있게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

100 : 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치
110 : 필라멘트 공급유닛
120 : 히팅 및 교반유닛
130 : 익스트루더
140 : 노즐
150 : CNT 공급유닛

Claims

합성수지 필라멘트(F)를 히팅 및 교반유닛(120) 쪽으로 공급하는 필라멘트 공급유닛(110);
필라멘트 공급유닛(120)의 내부 하부에 마련되고, 필라멘트 공급유닛(120)에서 공급되는 합성수지 필라멘트(F)를 용융하는 동시에 CNT 공급유닛(150)에서 공급되는 CNT를 용융 합성수지 필라멘트와 혼합하는 히팅 및 교반유닛(120);
히팅 및 교반유닛(120)의 하부에 마련되고, 히팅 및 교반유닛(120)에서 혼합된 CNT 복합 필라멘트를 노즐(140)쪽으로 압출하는 익스트루더(130);
익스트루더(130)의 하부에 마련되고, 익스트루더(130)로부터 공급되는 CNT 복합 필라멘트를 베드로 토출하는 노즐(140); 및
히팅 및 교반유닛(120)의 일측에 설치되고, 히팅 및 교반유닛(120)에 작은 크기로 절단된 CNT를 공급하는 CNT 공급유닛(150);을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치.
제1항에 있어서,
CNT 공급유닛(150)은,
일측 부위가 히팅 및 교반유닛(120)의 내부에 삽입되는 공급관(151);
공급관(151)의 일측 상부에 설치되고, 공급관(151)에 작은 크기로 절단된 CNT를 투입할 수 있도록 하는 호퍼(152);
공급관(151)의 내부에 설치되고, 호퍼(153)를 통해 공급관(151)에 투입된 CNT를 히팅 및 교반유닛(120)의 내부로 이송시키는 이송스크류(153); 및
이송스크류(153)의 일측에 설치되고, 이송스크류(153)를 회전 구동시키는 구동모터(154);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D프린터의 탄소나노튜브 복합 필라멘트 토출 헤드장치.