KR20190087044A - A Filter Unit For 3D Printer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3D 프린터용 여과장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린터의 동작시 발생하는 각종 휘발성 유기화합물을 포함하는 초미세 먼지를 효과적으로 여과할 수 있는 여과장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a filtration apparatus for a 3D printer, and more particularly, to a filtration apparatus capable of effectively filtering ultrafine dust containing various volatile organic compounds generated during operation of a 3D printer.
3D 프린터는 플라스틱 재료를 녹여 굳히는 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 방식으로 대상물을 인쇄하는 장치인데 플라스틱 재료를 녹이고 굳히는 과정에서 100㎚ 이하 크기의 초미세 먼지가 다량 발생하고 있다. 이러한 초미세 먼지의 발생량은 일반 부엌에서 가스레인지로 요리할 때 발생하는 초미세 먼지와 비슷한 수준으로 알려져 있다. 특히, 이러한 초미세 먼지 중에는 벤젠, 톨루엔, 포름알데히드, 프탈레이트와 같은 휘발성 유기화합물이 포함되어 사용자의 건강을 위협하고 있다.The 3D printer is a device that prints an object by Fused Deposition Modeling (FDM) method in which a plastic material is melted and hardened. In the process of melting and hardening the plastic material, a large amount of ultrafine dust having a size of 100 nm or less is generated. The generation of such fine dusts is known to be similar to the ultrafine dust generated when cooking in a general kitchen in a gas range. Particularly, such ultrafine dusts contain volatile organic compounds such as benzene, toluene, formaldehyde, and phthalates, which threatens the health of the user.
최근 미국 일리노이공대 브렌트 슈테펜 교수팀이 데스크톱 FDM 방식의 프린터가 얼마나 많은 초미세먼지를 방출하는지 실험한 결과를 살펴보면, 45㎥(학교 교실의 약 4분의 1)인 일반 사무실에 FDM 방식의 프린터를 작동시키면서 1분 간격으로 대기 중 입자 개수를 측정하면, 분당 최고 1900억 개의 초미세먼지가 검출되는 것으로 나타나 있다. 이는 가정에서 가스레인지로 요리를 하거나 향초를 태울 때, 레이저 프린터를 작동시킬 때 또는 담배 한 개비를 태울 때 나오는 초미세먼지의 농도와 비슷한 수치이다.Recently, a team of professors Brent Steepen of the University of Illinois, USA, experimented with how a desktop FDM printer emits ultra-fine dust. The result is a 45-m3 (about a quarter of the school classroom) And the number of particles in the air is measured at intervals of one minute, it is shown that up to 190 billion ultrafine particles are detected per minute. This is similar to the concentration of ultrafine dust when cooking at home, burning incense, operating a laser printer, or burning a cigarette.
종래의 프린터에서도 분진이 발생하기 때문에 이를 제거하기 위하여 여과장치를 적용하고 있다.Dust is generated even in a conventional printer, so a filtering device is applied to remove the dust.
예를 들어, 대한민국 등록특허공보 10-1707783호 및 10-1707784호에서는 잉크젯 프린터 장치에서 발생하는 잉크 분진을 제거하기 위한 헤파 필터가 개시되어 있고, 대한민국 등록특허공보 10-1104902호에서는 토너 방식의 프린터에서 발생하는 분진을 집진하기 위한 탄소 나노튜브와 키토산 복합재인 탄소 나노튜브-키토산 멤브레인을 포함하는 프린터용 집진필터가 개시되어 있다.For example, Korean Patent Publication Nos. 10-1707783 and 10-1707784 disclose a HEPA filter for removing ink dust generated in an inkjet printer apparatus, and in Korean Patent Publication No. 10-1104902, a toner type printer And a carbon nanotube-chitosan membrane, which is a composite of chitosan and carbon nanotubes, for collecting dust generated in the dust collecting filter.
이러한 필터들은 종래의 잉크젯 프린터나 레이저 프린터와 같이 분진이 발생하는 환경에서 사용하기에는 적합하나 3D 프린터와 같이 초미세 먼지가 발생하는 환경에서 이를 여과하는 성능을 나타내지 못하는 문제가 있다.Such filters are suitable for use in an environment in which dust is generated, such as conventional inkjet printers and laser printers, but they fail to exhibit filtering performance in an environment where ultrafine dust occurs, such as 3D printers.
한편, 대한민국 공개특허공보 10-2017-0088874호에서는 3D 프린터의 챔버에 유입되는 공기의 입자 및 오염물을 여과하기 위한 헤파(HEPA)필터 또는 울파(ULPA)필터가 개시되어 있다. 그러나 상기 필터는 단순히 챔버내로 유입되는 공기를 여과하기 위한 것으로 3D 프린터 동작 중 내부에서 발생하는 각종 휘발성 유기화합물을 포함하는 초미세 먼지를 여과하는 장치에 적용하기에는 부적합한 문제가 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2017-0088874 discloses a HEPA filter or ULPA filter for filtering air particles and contaminants introduced into a chamber of a 3D printer. However, the filter is for simply filtering the air introduced into the chamber, which is unsuitable for application to an apparatus for filtering ultrafine dust containing various volatile organic compounds generated inside the 3D printer.
또한, 대한민국 등록특허공보 10-1802746호에서는 3D 프린터에서 발생하는 미세먼지 및 휘발성 유기 화합물을 저감시킬 수 있는 복합 필터로서 흡착필터 모듈, 프리필터 모듈, 울파필터 모듈로 구성된 여과장치를 개시하고 있으나, 상기 여과장치를 사용하였을 때의 항균도를 확인하였을 뿐 휘발성 유기 화합물이 충분히 여과되는지를 확인할 수 없어 그 효과가 불충분한 것으로 파악된다.Korean Patent Publication No. 10-1802746 discloses a filtration apparatus composed of an adsorption filter module, a pre-filter module, and an ultrafilter filter module as a composite filter capable of reducing fine dust and volatile organic compounds generated in a 3D printer, It was confirmed that the antibacterial activity of the filtration apparatus was confirmed, and it was not confirmed whether the volatile organic compound was sufficiently filtered, and the effect thereof was found to be insufficient.
또한, 대한민국 등록특허공보 10-1594834호에서는 3D 프린터의 노즐 주위에 팬 및 필터를 포함하는 여과장치를 설치하여 재료의 용융 시 열분해에 의해 발생되는 독성물질이나 미세먼지 등이 장치 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있도록 하고 있으나, 단순히 카본필터나 헤파필터가 착탈 가능한 구조로 장착되는 것으로 기재되어 있을 뿐이며 휘발성 유기 화합물이나 초미세먼지가 어느 정도 제거되는지 확인할 수 없어 그 효과가 불충분한 것으로 파악된다.In addition, Korean Patent Publication No. 10-1594834 discloses that a filtering device including a fan and a filter is installed around a nozzle of a 3D printer to cause toxic substances or fine dust generated by thermal decomposition upon melting of materials to be released to the outside of the device However, it is described that the carbon filter or the HEPA filter is simply installed in a detachable structure, and it can not be confirmed how much the volatile organic compound or the ultrafine dust is removed, and it is understood that the effect is insufficient.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 4중 프리필터, 2중 탄소필터 및 헤파필터를 적층한 여과장치를 통하여 3D 프린터의 동작시 발생하는 각종 휘발성 유기화합물을 포함하는 초미세 먼지를 효과적으로 여과할 수 있는 3D 프린터용 여과장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a filtering apparatus, And it is an object of the present invention to provide a filtration apparatus for a 3D printer which can effectively filter ultrafine dust.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 3D 프린터용 여과장치는 3D 프린터의 챔버의 하우징에 설치되며, 4중 프리필터, 2중 탄소필터 및 헤파필터가 적층되어 7층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a filtering apparatus for a 3D printer, which is installed in a housing of a chamber of a 3D printer, and has a seven-layer structure in which a quadruple pre-filter, a double carbon filter, do.
또한, 상기 7층 구조는 제1 프리필터, 제1 탄소필터, 제2 프리필터, 헤파필터, 제3 프리필터, 제2 탄소필터, 제4 프리필터의 순서로 적층되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the seven-layer structure is laminated in the order of the first pre-filter, the first carbon filter, the second pre-filter, the HEPA filter, the third pre-filter, the second carbon filter and the fourth pre-
또한, 상기 탄소필터는 활성탄 및 제올라이트를 포함할 수 있으며, 제올라이트가 흡착된 활성탄소섬유를 포함할 수도 있다.In addition, the carbon filter may include activated carbon and zeolite, and may include activated carbon fibers adsorbed on the zeolite.
본 발명에 따른 3D 프린터용 여과장치는 4중 프리필터, 2중 탄소필터 및 헤파필터를 적층한 여과장치를 적용함으로써 3D 프린터의 동작시 발생하는 각종 휘발성 유기화합물을 포함하는 초미세 먼지를 효과적으로 여과할 수 있는 효과를 나타낸다.The filter device for a 3D printer according to the present invention effectively filters ultrafine dust containing various volatile organic compounds generated during the operation of a 3D printer by applying a filtration device in which a quadruple pre-filter, a double carbon filter and a HEPA filter are laminated It shows the effect that can be done.
도 1은 본 발명의 3D 프린터용 여과장치의 적층 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a laminated structure of a filtration apparatus for a 3D printer according to the present invention.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
본 발명의 여과장치는 3D 프린터에 적용하기 위한 것으로 3D 프린터의 챔버의 하우징에 설치되며, 4중 프리필터, 2중 탄소필터 및 헤파필터가 적층되어 7층 구조로 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.The filtration apparatus of the present invention is applied to a 3D printer and is installed in a housing of a chamber of a 3D printer, and has a seven-layer structure in which a quadruple pre-filter, a double carbon filter, and a HEPA filter are laminated.
3D 프린터는 일반적으로 외부의 공기가 차단되는 챔버에서 인쇄 작업이 이루어지며 내부에서 발생하는 초미세 먼지는 챔버 상단으로 부유하기 때문에 상기 여과장치는 챔버의 하우징 상단에 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 초미세 먼지를 여과장치에 집진하기 위하여 상기 여과장치의 전면 또는 후면에 블로우 팬을 결합할 수도 있다.In the 3D printer, a printing operation is generally performed in a chamber in which external air is blocked, and ultrafine dust generated in the interior of the 3D printer floats to the upper end of the chamber. Therefore, the filtering apparatus is preferably installed at the upper end of the housing of the chamber. In addition, a blow fan may be coupled to the front or rear surface of the filtration device to collect ultrafine dust in the filtration device.
상기 7층 구조의 적층구조는 도 1에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다. 즉, 제1 프리필터, 상기 제1 프리필터 상에 적층되는 제1 탄소필터, 상기 제1 탄소필터 상에 적층되는 제2 프리필터, 상기 제2 프리필터 상에 적층되는 헤파필터, 상기 헤파필터 상에 적층되는 제3 프리필터, 상기 제3 프리필터 상에 적층되는 제2 탄소필터, 상기 제2 탄소필터 상에 적층되는 제4 프리필터의 순서로 적층될 수 있다.The laminated structure of the seven-layer structure can be formed as shown in FIG. A first prefilter, a first carbon filter stacked on the first prefilter, a second prefilter stacked on the first carbon filter, a HEPA filter stacked on the second prefilter, A second carbon filter laminated on the third pre filter, and a fourth pre filter laminated on the second carbon filter.
초미세 먼지를 제거하기 위한 필터로서 탄소필터와 헤파필터가 사용되는데 탄소필터와 헤파필터가 교차하여 적층될 때 그 전후에 프리필터가 삽입되는 구조로 이루어져 있다. 다양한 실험을 거친 결과, 이와 같이 7층 구조로 이루어질 때 3D 프린터에서 발생하는 초미세 먼지를 효율적으로 제거할 수 있는 것으로 나타났다. 종래기술에서와 같이 탄소필터나 헤파필터 중 어느 하나만 사용하거나 울파필터를 사용할 경우 초미세 먼지를 제거하기는 하나 제거 효율이나 여과장치의 유효 운전 시간이 불충분한 것으로 나타났다.A carbon filter and a HEPA filter are used as a filter for removing ultrafine dust. A carbon filter and a HEPA filter are crossed to each other, and a prefilter is inserted before and after the carbon filter and the HEPA filter are stacked. As a result of various experiments, it has been shown that it is possible to efficiently remove the ultrafine dust generated in the 3D printer when the 7 layer structure is formed. As in the prior art, if only one of the carbon filter and the HEPA filter is used or the Ul-filter is used, the ultrafine dust is removed, but the removal efficiency and the effective operation time of the filtration device are insufficient.
또한, 본 발명에서는 초미세 먼지의 여과 효율을 향상시키기 위하여 탄소필터에 활성탄 및 제올라이트를 혼합하거나, 또는, 제올라이트가 흡착된 활성탄소섬유를 혼합하고 있다. 이러한 활성탄 및 제올라이트, 또는, 제올라이트가 흡착된 활성탄소섬유는 탄소필터에 대하여 5 내지 30 중량% 혼합하여 제조함으로써 그 효율을 향상시킬 수 있다.In the present invention, in order to improve the filtration efficiency of ultrafine dust, activated carbon and zeolite are mixed with a carbon filter or activated carbon fibers adsorbed with zeolite are mixed. Such activated carbon, zeolite, or zeolite-adsorbed activated carbon fiber may be mixed with the carbon filter in an amount of 5 to 30% by weight to improve the efficiency.
이때, 상기 활성탄은 비표면적이 400 내지 1600 ㎡/g이며 세공 용적이 30㎤/100g 이상인 활성탄을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 제올라이트는 FAU 결정구조의 제올라이트 Y 또는 MFI 결정구조의 ZSM-5가 적합한 것으로 나타났다. 또한, 은 또는 구리 이온 교환을 통하여 휘발성 유기화합물의 포집 효율이 더욱 향상될 수 있다. 이온 교환을 할 경우 제올라이트에 대하여 0.1 내지 0.5 중량% 함량으로 은 또는 구리 이온 교환을 하는 것이 바람직하다. 이온 교환 양이 상기 범위를 벗어나 너무 많거나 너무 적을 경우 담지가 제대로 이루어지지 않거나 담지 촉매에 의한 효과가 미미한 것으로 나타났다.At this time, it is preferable to use activated carbon having a specific surface area of 400 to 1600 m 2 / g and a pore volume of 30 cm 3/100 g or more. The zeolite was found to be suitable for zeolite Y of FAU crystal structure or ZSM-5 of MFI crystal structure. Further, the collection efficiency of the volatile organic compound can be further improved through silver or copper ion exchange. In case of ion exchange, silver or copper ion exchange is preferably carried out in an amount of 0.1 to 0.5% by weight based on the zeolite. When the amount of ion exchange is out of the above range, too much or too little, the loading is not performed properly or the effect of the supported catalyst is insignificant.
또한, 제올라이트를 활성탄소섬유에 담지하는 경우 활성탄소섬유에 대하여 5 내지 20 중량%의 제올라이트를 담지하는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나 제올라이트의 함량이 너무 많아지면 담지되지 않는 제올라이트 분말이 발생하여 여과장치의 효율을 감소시킨다.When the zeolite is supported on the activated carbon fiber, zeolite is preferably supported on the activated carbon fiber in an amount of 5 to 20% by weight. If the content of the zeolite is too large beyond the above range, zeolite powder which is not supported is generated to reduce the efficiency of the filtration apparatus.
본 발명의 여과장치의 효율을 검증하기 위하여 표 1과 같은 구성으로 여과장치를 제조하였다. 표 1에서 탄소필터 1은 0.2 중량%의 구리 이온 교환 처리된 제올라이트 Y 5 중량% 및 활성탄 10 중량%를 함유한 것이며, 탄소필터 2는 0.2 중량%의 구리 이온 교환 처리된 ZSM-5 10 중량%를 담지시킨 활성탄소섬유를 함유한 것이다. 또한, 탄소필터 3은 활성탄 10 중량%를 함유한 것이며, 탄소필터 4는 제올라이트, 활성탄, 활성탄소섬유 등의 성분을 함유하지 않은 일반적인 탄소필터이다. In order to verify the efficiency of the filtration apparatus of the present invention, a filtration apparatus was fabricated as shown in Table 1. In Table 1, Carbon Filter 1 contains 5% by weight of copper ion-exchanged zeolite Y and 10% by weight of activated carbon, 0.2% by weight of copper ion exchanged ZSM-5 10% And an activated carbon fiber supported thereon. Further, the carbon filter 3 contains 10 wt% of activated carbon, and the carbon filter 4 is a general carbon filter containing no components such as zeolite, activated carbon, and activated carbon fiber.
제조된 여과장치를 시판되는 3D 프린터인 3DWOX DP200(신도리코)의 챔버 상부에 설치하고 1시간 동안 가동하면서 상기 여과장치를 통과해 나오는 기체를 분취하여 테들러 백에 수집하였다. 상기 테들러 백에 질소 기체 1ℓ를 혼합하고 60℃ 오븐에서 1시간 동안 가열한 후 실온에서 냉각하고 다시 질소 기체를 가득 채운 후 GC-FID로 TVOC의 양을 분석하였다. 또한, 비교를 위하여 여과장치를 설치하지 않고 배출구를 형성하여 수집한 기체를 blank로 분석하였다. 그 결과는 표 2와 같다.The manufactured filtration apparatus was installed on a chamber of 3DWOX DP200 (Shindorico), a commercially available 3D printer, and the gas passing through the filtration apparatus was collected while being operated for 1 hour and collected in a Tedlar bag. The Teddler bag was mixed with 1 L of nitrogen gas, heated in an oven at 60 ° C. for 1 hour, cooled at room temperature, filled with nitrogen gas, and then analyzed by GC-FID for the amount of TVOC. Also, for comparison, an exhaust port was formed without installing a filtration device, and the collected gas was analyzed as a blank. The results are shown in Table 2.
시험 결과를 살펴보면, 실시예 1 및 2에 따른 여과장치를 적용하는 경우 TVOC의 양이 약 92% 감소하는 것으로 나타나 초미세 먼지를 효율적으로 여과하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 탄소필터에 제올라이트를 혼합하지 않은 비교예 3이나 제올라이트와 활성탄소를 혼합하지 않은 비교예 4의 경우 TVOC의 감소율이 81.7% 및 64.4%로 초미세 먼지의 여과 효율이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.When the filtration apparatus according to Examples 1 and 2 was applied, the amount of TVOC was reduced by about 92%, and it was confirmed that the ultrafine dust was efficiently filtered. However, in Comparative Example 3 in which zeolite was not mixed with the carbon filter or Comparative Example 4 in which zeolite and activated carbon were not mixed, the reduction rate of TVOC was 81.7% and 64.4%, respectively, and the filtration efficiency of ultrafine dust was relatively low.
또한, 카본필터나 헤파필터 1종만을 사용하여 여과하는 경우 비교예 1 및 2에서와 같이 TVOC 감소율이 매우 낮아 본 발명에서와 같이 7층 구조의 필터를 적용할 때 효율적인 여과가 가능하다는 것을 알 수 있었다.In the case of filtering using only one type of carbon filter or one type of hepafilter, the TVOC reduction rate is very low as in Comparative Examples 1 and 2, so that it is possible to perform efficient filtration when applying a filter having a seven-layer structure as in the present invention there was.
또한, 탄소필터를 1개만 사용하여 5층 구조로 구성하는 경우 비교예 5에서와 같이 71.5%의 TVOC 감소율을 나타내어 7층 구조에 비해 여과효율이 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 적층 수를 늘이면 여과효율이 증가할 것으로 예상되나 7층 이상의 구조로 적층하면 여과장치의 두께가 지나치게 두꺼워지고 실험에서도 TVOC 감소율의 더 향상되는 결과를 얻지 못해 7층 이상의 적층 구조는 불필요한 것으로 파악되었다.Also, in the case of using a single carbon filter in a five-layer structure, the TVOC reduction rate was 71.5% as in Comparative Example 5, and the filtration efficiency tended to be lower than that of the seven-layer structure. From these results, it is expected that the filtration efficiency will increase when the number of laminated layers is increased. However, if the laminated structure has a structure of 7 layers or more, the thickness of the filtration device becomes excessively thick, Respectively.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments and that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention. Change is possible. Such variations and modifications are to be considered as falling within the scope of the invention and the appended claims.
Claims (4)
Wherein the filter is installed in a housing of a chamber of a 3D printer and has a seven layer structure in which a quadruple pre-filter, a double carbon filter, and a HEPA filter are laminated.
상기 7층 구조는,
제1 프리필터;
상기 제1 프리필터 상에 적층되는 제1 탄소필터;
상기 제1 탄소필터 상에 적층되는 제2 프리필터;
상기 제2 프리필터 상에 적층되는 헤파필터;
상기 헤파필터 상에 적층되는 제3 프리필터;
상기 제3 프리필터 상에 적층되는 제2 탄소필터;
상기 제2 탄소필터 상에 적층되는 제4 프리필터;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 여과장치.
The method according to claim 1,
The seven-
A first pre-filter;
A first carbon filter laminated on the first pre-filter;
A second pre-filter laminated on the first carbon filter;
A HEPA filter laminated on the second pre-filter;
A third pre-filter laminated on the HEPA filter;
A second carbon filter laminated on the third pre-filter;
A fourth pre-filter laminated on the second carbon filter;
And a filter unit for filtering the 3D printer.
상기 탄소필터는 활성탄 및 제올라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 여과장치.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon filter comprises activated carbon and zeolite.
상기 탄소필터는 제올라이트가 흡착된 활성탄소섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 여과장치.The method according to claim 1,
Wherein the carbon filter comprises activated carbon fibers adsorbed on the zeolite.
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