KR20190088104A - 3차원 입체물 제조 로봇 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 입체물 제조 로봇 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 입체물 제조 로봇 시스템은 공급받은 하나 이상의 재료에 열을 가하여 고분자 복합 재료로 합사시켜 이송시키고, 상기 합사된 고분자 복합 재료에 열을 가하는 오븐 유닛; 상기 고분자 복합 재료가 토출되는 위치 또는 방향을 조절하고, 상기 조절된 위치 또는 방향에 따라 상기 오븐 유닛으로부터 공급 받은 고분자 복잡 재료를 토출하는 로봇; 및 상기 로봇으로부터 토출된 고분자 복합 재료에 의해 3차원 입체물이 성형되는 적어도 하나의 배치면을 갖는 테이블을 포함하고, 상기 테이블을 회전 구동시키는 턴 테이블 유닛을 포함한다.

Description

3차원 입체물 제조 로봇 시스템{THREE-DIMENSIONAL PRODUCT MANUFACTURING ROBOT SYSTEM}

본 발명은 제조 로봇 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 입체물 제조 및 수거 공정이 자동화된 3차원 입체물 제조 로봇 시스템에 관한 것이다.

최근, 플라스틱 복합소재를 이용하여 강도와 내구성을 보강하기 위한 내부 보강재(reinforcement)를 제조하는 기술이 이용되고 있다. 적층 가공(additive manufacturing) 장치 및 폴리머/복합재의 내부 보강재와 같은 내부 골격 제조 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

이를 이용하면, 경량 복합 소재 입체물의 원재료 사용량은 줄이면서도 기계적 성능을 높일 수 있다는 점에서 3D 프린팅이나 3D 몰딩이 각광받고 있다. 특히, 적층 가공 속도도 개선되어 자동화 공정의 일부로서 기능할 수 있게 되었다.

적층 가공은 자동차, 항공기, 전자제품, 가전제품(consumer electronics), 스포츠 용품(sporting goods), 건축소재 등 다양한 분야에서 이용되고 있지만, 제조의 정교성, 원가 절감, 제조 공정과 설비의 단순화 등 선결해야 할 과제가 아직 많다. 특히, 3D 프린팅이나 3D 몰딩에 의한 제품의 성능을 좌우하는 원재료의 강성과 내구성 향상에 대한 연구가 매우 필요한 상황이다.

예를 들면, 3D 프린터로서, 등록특허공보 제10-1653817호에는 가변 노즐 헤드가 구비된 3D 프리터 및 그 작동 방법이 기재되어 있다. 이러한 적층 가공 장치(3D 프린터 등)는 가늘고 기다란 원재료의 토출 방향, 각도 및 위치를 제어하면서 원하는 형상의 제품을 형성한다. 제품의 정교한 형성을 위해서는 원재료가 적층 가공 장치에 의해 자유롭게 제어(투입에서 토출까지)될 수 있어야 한다. 그러나, 강성과 내구성이 뛰어난 원재료를 이용하여 3D 입체물을 제조 및 수거하는 과정이 자동화된 로봇 시스템이 미진한 상태이다.

등록특허공보 제10-1653817호, 공고일자 2016년09월05일

이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 고분자 복합 재료가 토출되는 위치 및 방향의 조절이 가능한 로봇과 고분자 복합 재료가 토출되는 금형이 실장된 테이블이 회전 가능한 턴 테이블 유닛을 구비하고, 턴 테이블 유닛의 테이블을 회전시킴에 따라 3D 입체물을 성형하거나 성형된 3D 입체물을 수거하도록 한, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템을 제공하는데 있다.

다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 3차원 입체물 제조 로봇 시스템은 공급받은 하나 이상의 재료에 열을 가하여 고분자 복합 재료로 합사시켜 이송시키고, 상기 합사된 고분자 복합 재료에 열을 가하는 오븐 유닛; 상기 고분자 복합 재료가 토출되는 위치 또는 방향을 조절하고, 상기 조절된 위치 또는 방향에 따라 상기 오븐 유닛으로부터 공급 받은 고분자 복잡 재료를 토출하는 로봇; 및 상기 로봇으로부터 토출된 고분자 복합 재료에 의해 3차원 입체물이 성형되는 적어도 하나의 배치면을 갖는 테이블을 포함하고, 상기 테이블을 회전 구동시키는 턴 테이블 유닛을 포함할 수 있다.

또한, 상기 오븐 유닛은 상기 공급 받은 적어도 하나의 재료를 고분자 복합 재료로 합사시키는 합사부; 및 상기 재료와 상기 고분자 복합 재료의 상부 또는 하부에 배치되어, 상기 재료와 상기 고분자 복합 재료에 열을 가하는 히팅부;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 로봇은 상기 고분자 복합 재료를 상기 테이블에 실장된 지그에 토출하는 헤드 유닛; 및 상기 헤드 유닛의 일측에 결합되어, 상기 고분자 복합 재료가 토출되는 상기 헤드 유닛의 위치 또는 방향을 조절하는 로봇 암을 포함할 수 있다.

또한, 상기 로봇은 상기 고분자 복합 재료를 상기 테이블에 실장된 지그에 토출하는 헤드 유닛; 및 상기 헤드 유닛의 일측에 결합되어, 상기 헤드 유닛을 제1축 방향 내지 제3축 방향 중 어느 한 방향으로 직선 이동시키는 이송 유닛을 포함할 수 있다.

또한, 상기 이송 유닛은 상기 헤드 유닛의 일측에 결합되어, 상기 헤드 유닛을 제1축 방향으로 직선 이동시키는 제1 이송 유닛; 상기 제1 이송 유닛의 일측에 결합되어, 상기 헤드 유닛을 제2축 방향으로 직선 이동시키는 제2 이송 유닛; 및 상기 제2 이송 유닛의 양단에 결합되어, 상기 헤드 유닛을 제3축 방향으로 직선 이동시키는 2개의 제3 이송 유닛;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 로봇은 상기 오븐 유닛으로부터 공급 받은 고분자 복합 재료를 상기 헤드 유닛에 가이드하는 가이드부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 오븐 유닛은 상기 헤드 유닛이 제1축 방향 내지 제3축 방향 중 어느 한 방향으로 직선 이동 하는 경우, 상기 헤드 유닛과 동일한 방향으로 직선 이동할 수 있다.

또한, 상기 턴 테이블 유닛은 일정 간격으로 이격되어 배치된 두 개의 마운트; 및 상기 두 개의 마운트 사이에 연결된 회전축에 결합되어 상기 회전축의 회전에 따라 회전하고, 상기 고분자 복합 재료에 의해 3차원 입체물이 성형되는 금형이 적어도 하나의 면에 실장된 테이블을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 입체물 제조 로봇 시스템은 상기 3차원 입체물이 성형된 상기 테이블이 회전되면, 상기 성형된 3차원 입체물을 수거하는 후공정 로봇을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 후공정 로봇은 상기 성형된 3차원 입체물을 수거하는 핸드 유닛; 및 상기 핸드 유닛의 일단에 연결되어, 상기 핸드 유닛의 위치 또는 방향을 조절하는 로봇 암을 포함할 수 있다.

또한, 상기 후공정 로봇은 상기 턴 테이블 유닛을 기준으로 상기 로봇이 배치된 위치의 반대편에 위치할 수 있다.

또한, 상기 3차원 입체물이 성형된 상기 테이블이 회전되면, 상기 성형된 3차원 입체물을 수거하는 컨베이어 벨트를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 컨베이어 벨트는 상기 테이블의 하부에 위치할 수 있다.

이처럼 본 발명은 고분자 복합 재료가 토출되는 위치 및 방향의 조절이 가능한 로봇과 고분자 복합 재료가 토출되는 금형이 실장된 테이블이 회전 가능한 턴 테이블 유닛을 구비하고, 턴 테이블 유닛의 테이블을 회전시킴에 따라 3D 입체물을 성형하거나 성형된 3D 입체물을 수거하도록 함으로써, 3D 입체물 제조 과정과 후 공정 과정을 동시에 수행할 수 있다.

또한, 본 발명은 3D 입체물 성형 과정과 후 공정 과정을 동시에 수행하는 것이 가능하기 때문에, 전체 공정의 작업 속도를 향상시킬 수 있다.

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 입체물 제조 로봇 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오븐 유닛의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 턴 테이블 유닛의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 후공정 로봇의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 입체물 제조 로봇 시스템을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 이송 유닛의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 턴 테이블 유닛의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨베이어 벨트의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 헤드 유닛에 공급될 수 있는 고분자 복합 재료의 일 예이다.
도 12는 도 11에 도시된 고분자 복합 재료의 다른 일 예이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 고분자 복합 재료를 활용한 3차원 입체물 제조 로봇 시스템을 설명한다. 특히, 본 발명에서는 고분자 복합 재료가 토출되는 위치 및 방향의 조절이 가능한 로봇과 고분자 복합 재료가 토출되는 금형이 실장된 테이블이 회전 가능한 턴 테이블 유닛을 구비하고, 턴 테이블 유닛의 테이블을 회전시킴에 따라 3D 입체물을 성형하거나 성형된 3D 입체물을 수거하도록 한, 새로운 시스템을 제안한다.

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 입체물 제조 로봇 시스템을 나타내는 도면이다.

도 1a 내지 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 입체물 제조 로봇 시스템(100)은 크릴 유닛(미도시), 오븐 유닛(120), 로봇(130), 턴 테이블 유닛(140), 및 후공정 로봇(150)을 포함할 수 있다.

크릴 유닛(미도시)은 다수의 보빈(bobbin) 각각에 감긴 다수의 재료 예컨대, 테이프(tape)를 오븐 유닛(120)으로 공급할 수 있다.

오븐 유닛(120)은 크릴 유닛(110)으로부터 다수의 재료를 공급 받아 공급 받은 다수의 재료를 하나의 고분자 복합 재료로 합사시키고, 합사된 하나의 고분자 복합 재료를 이송할 수 있다. 이때, 오븐 유닛(120)은 공급 받은 재료를 열처리하여 합사시키고, 합사된 고분자 복합 재료를 열 처리하여 로봇(130)으로 전달할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오븐 유닛의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 오븐 유닛(120)은 오븐 바디(121), 다수의 롤러(122), 합사부(123), 다수의 히팅부(124)를 포함할 수 있다.

오븐 유닛(120)은 다수의 롤러(121)를 이용하여 다수의 재료와 합사된 고분자 복합 재료를 이송하되, 합사부(123)를 통해 다수의 재료를 하나의 고분자 복합 재료로 합사시켜 이송하고, 다수의 히팅부(121)를 이용하여 공급받은 다수의 재료와 합사된 고분자 복합 재료에 열을 가할 수 있다.

이때, 다수의 히팅부(124)는 재료와 고분자 복합 재료의 이동 경로 상에 길이방향으로 배치될 수 있는데, 재료와 고분자 복합 재료의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다. 이러한 다수의 히팅부(124)는 열을 가할 수 있는 장치로서, 예컨대, IR(Infrared Ray) 램프, 열풍기 등을 포괄하는 개념일 수 있다.

로봇(130)은 오븐(120)으로부터 고분자 복합 재료를 제공받고, 제공받은 고분자 복합 재료를 테이블에 실장된 금형에 토출할 수 있다. 이러한 로봇(130)은 다관절 로봇(articulated robot)으로 구현될 수 있다. 다관절 로봇은 일반적으로 3개 이상의 회전 운동 기구로 각 링크들을 결합시키고 이 회전 운동 기구가 구동되어 동작할 수 있다. 다관절 로봇은 사람의 어깨, 팔, 팔꿈치, 손목의 관절을 본떠서 만든 로봇으로 사람이 하는 움직임과 비슷하게 움직일 수 있으며, 행동이 빠르고 공간도 적게 차지하며 동작 범위도 넓어서, 공장 생산설비의 조립 작업이나 도장, 용접 등에 사용한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇(130)은 다관절 로봇으로 구현되고, 지지 프레임(131), 로봇 암(132), 헤드 유닛(133), 가이드부(134)를 포함할 수 있다.

지지 프레임(131)는 로봇 암(132)이 결합되어, 로봇 암(132)을 지지할 수 있다.

로봇 암(132)은 다관절로 구성되어 각 관절이 각운동 또는 회전운동을 하고, 그 끝단에 연결된 헤드 유닛(133)의 위치 및 방향을 자유롭게 조절할 수 있다.

헤드 유닛(133)은 로봇 암(132)의 일단에 연결되고, 연결된 로봇 암(132)의 구동에 따라 이동하여, 테이블에 실장된 금형에 고분자 복합 재료를 토출할 수 있다. 이러한 헤드 유닛(133)은 로봇 암(132)의 구동에 따라 고분자 복합 재료를 토출할 위치 및 방향이 조절될 수 있다.

가이드부(134)는 일단이 오븐 유닛(120)에 연결되어 오븐 유닛으로부터 고분자 복합 재료를 공급 받고, 타단이 헤드 유닛(133)에 연결되어 고분자 복합 재료를 헤드 유닛(133)에 가이드할 수 있다.

이러한 본 발명의 로봇(130)은 다축 회전 운동이 가능할 수 있다. 다축 회전 운동을 하는 로봇(130)은 고분자 복합 재료를 토출하는 헤드 유닛(133)의 동작을 미세하게 조작할 수 있어, 더욱 복잡하고 정교한 형상의 3D 입체물을 제조하는 것이 가능할 수 있다.

턴 테이블 유닛(140)은 적어도 한 면에 금형을 실장하고, 로봇을 이용하여 일면에 실장된 금형에 대한 3차원 입체물의 성형이 완료되면, 회전축(l)을 기준으로 미리 설정된 각도만큼 회전시켜 타 면에 형성된 금형에 대한 3차원 입체물의 성형이 이루어지도록 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 테이블 유닛의 구성을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 턴 테이블 유닛(140)은 테이블 지지대(141), 테이블(table)(142), 지그(jig)(143)을 포함할 수 있다.

테이블 지지대(141)는 테이블(142)을 회전축(l)을 중심으로 회전시킬 수 있다. 예컨대, 테이블 지지대(141)는 고정부(141a), 고정부(141a)의 일단에 연결된 제1 마운트(141b)와 고정부(141a)의 타단에 연결된 제2 마운트(141c)로 구성되어, 소정 거리 이격되도록 배치된 제1 마운트(141b)와 제2 마운트(141c) 사이에 연결된 회전축에 테이블(142)을 결합시킬 수 있다.

테이블(142)은 테이블 지지대(141)의 회전축(l)에 결합되고, 적어도 한 배치면에 지그가 배치될 수 있다. 예컨대, 테이블(142)은 일 배치면에 제1 지그가 배치되고, 타 배치면에 제2 지그가 배치될 수 있다.

테이블(142)은 토출형 로봇으로부터 토출된 고분자 복합 재료가 제1 지그와 제2 지그에 공급되도록 회전축(l)을 중심으로 회전될 수 있다. 예컨대, 테이블(142)은 제1 지그에 고분자 복합 재료가 공급된 후 회전되어 반대쪽 배치면의 제2 지그에 고분자 복합 재료가 공급되도록 위치될 수 있다.

지그(143)는 테이블(142)의 적어도 일 배치면에 배치될 수 있다.

후공정 로봇(150)은 테이블 유닛으로부터 성형된 3D 입체물을 수거할 수 있다. 이러한 후공정 로봇(150)은 턴 테이블 유닛을 기준으로 로봇이 배치된 위치의 반대 방향에 위치할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 후공정 로봇의 구성을 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 후공정 로봇(150)은 지지 프레임(151), 로봇 암(152), 핸드 유닛(153)을 포함할 수 있다.

지지 프레임(151)는 로봇 암(152)이 결합되어, 로봇 암(152)을 지지할 수 있다.

로봇 암(152)은 다관절로 구성되어 각 관절이 각운동 또는 회전운동을 하고, 그 끝단에 연결된 핸드 유닛(153)의 위치 및 방향을 자유롭게 조절할 수 있다.

핸드 유닛(153)은 로봇 암(152)의 일단에 연결되고, 연결된 로봇 암(152)의 구동에 따라 이동하여, 테이블에 배치된 지그를 통해 성형된 3D 입체물을 수거하여 다음 공정으로 이동시킬 수 있다. 핸드 유닛(153)은 테이블에 배치된 지그를 통해 성형된 3D 입체물을 집는 동작을 수행하거나 내려놓는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 핸드 유닛(153)은 커팅 동작을 수행할 수 있다.

이러한 본 발명의 후공정 로봇(150)은 다축 회전 운동이 가능할 수 있다.

도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 입체물 제조 로봇 시스템을 나타내는 도면이다.

도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 입체물 제조 로봇 시스템(200)은 크릴 유닛(210), 오븐 유닛(220), 로봇(230), 턴 테이블 유닛(240), 컨베이어 벨트(250)를 포함할 수 있다.

크릴 유닛(210)은 다수의 보빈(bobbin) 각각에 감긴 다수의 재료 예컨대, 테이프(tape)를 오븐 유닛(220)으로 공급할 수 있다.

오븐 유닛(220)은 크릴 유닛(210)으로부터 다수의 재료를 공급 받아 공급 받은 다수의 재료를 하나의 고분자 복합 재료로 합사시키고, 합사된 하나의 고분자 복합 재료를 이송할 수 있다. 이때, 오븐 유닛(220)은 공급 받은 고분자 복합 재료를 열처리하여 합사시키고, 합사된 고분자 복합 재료를 열 처리하여 로봇(230)으로 전달할 수 있다.

예컨대, 오븐 유닛(220)은 오븐 바디, 다수의 롤러, 합사부, 다수의 히팅부를 포함할 수 있다. 오븐 유닛(120)은 다수의 롤러를 이용하여 다수의 재료와 하나의 고분자 복합 재료를 이송하되, 합사부를 통해 다수의 재료를 하나의 고분자 복합 재료로 합사시켜 이송하고, 다수의 히팅부를 이용하여 공급받은 다수의 재료와 합사된 고분자 복합 재료에 열을 가할 수 있다.

로봇(230)은 오븐(220)으로부터 고분자 복합 재료를 제공받고, 제공받은 고분자 복합 재료를 테이블에 실장된 금형에 토출할 수 있다. 이러한 로봇(230)은 겐트리 로봇(gantry robot)으로 구현될 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇의 구성을 나타내는 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 이송 유닛의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇(230)은 겐트리 로봇으로 구현되고, 지지 프레임(231), 이송 유닛(232), 헤드 유닛(233) 가이드부(234)을 포함할 수 있다.

지지 프레임(231)은 고정부(231a), 고정부(231a)의 일단에 연결된 제1 마운트(231b)와 고정부(231a)의 타단에 연결된 제2 마운트(231c)로 구성될 수 있다.

이송 유닛(232)은 지지 프레임(231)의 상부에 배치되고, 헤드 유닛(233)을 제1축 방향 내지 제3축 방향 중 적어도 한 방향으로 직선 이동시킬 수 있다. 여기서, 제1축 방향은 Z축 방향을 나타내고, 제2축 방향은 X축 방향, 제3축 방향은 Y축 방향을 나타낼 수 있다.

예를들어, 도 8을 참조하면, 이송 유닛(232)은 헤드 유닛의 일측에 결합되어, 헤드 유닛을 제1축 방향으로 직선 이동시키는 제1 이송 유닛(232c), 제1 이송 유닛의 일측에 결합되어, 헤드 유닛을 제2축 방향으로 직선 이동시키는 제2 이송 유닛(232a), 제2 이송 유닛의 양단 하부에 결합되어, 헤드 유닛을 제3축 방향으로 직선 이동시키는 2개의 제3 이송 유닛(232b)을 포함할 수 있다.

헤드 유닛(233)은 이송 유닛(232)에 결합되고, 이송 유닛(232)의 구동에 따라 제1 축 방향 내지 제3 축 방향 중 어느 한 방향으로 직선 이동되어 테이블에 실장된 금형에 고분자 복합 소재를 토출할 수 있다. 이러한 헤드 유닛(133)은 이송 유닛(232)의 구동에 따라 고분자 복합 소재를 토출할 위치 및 방향이 조절될 수 있다.

이때, 오븐 유닛(220)은 헤드 유닛(233)이 제1축 방향 내지 제3 축 방향 중 어느 한 방향으로 직선 이동 하는 경우, 헤드 유닛과 동일한 방향으로 직선 이동될 수 있다.

가이드부(234)는 일단이 오븐 유닛(220)에 연결되어 오븐 유닛으로부터 고분자 복합 소재를 공급 받고, 타단이 헤드 유닛(233)에 연결되어 고분자 복합 소재를 헤드 유닛(233)에 가이드할 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 턴 테이블 유닛의 구성을 나타내는 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 턴 테이블 유닛(240)은 테이블 지지대(241), 테이블(table)(242), 지그(jig)(243)을 포함할 수 있다.

테이블 지지대(241)는 테이블(242)을 회전축을 중심으로 회전시킬 수 있다. 예컨대, 테이블 지지대(241)는 소정 간격으로 이격되어 배치되는 제1 마운트(241b)와 제2 마운트(241c)로 구성되어, 소정 거리 이격되도록 배치된 제1 마운트(241b)와 제2 마운트(241c) 사이에 연결된 회전축에 테이블(142)을 결합시킬 수 있다.

이때, 테이블 지지대(241)는 로봇을 구성하는 헤드 유닛의 하부에 배치될 수 있다.

테이블(242)은 테이블 지지대(141)의 회전축에 결합되고, 적어도 한 면에 지그가 배치될 수 있다. 예컨대, 테이블(242)은 일 배치면에 제1 지그가 배치되고, 타 배치면에 제2 지그가 배치될 수 있다.

테이블(242)은 토출형 로봇으로부터 토출된 고분자 복합 소재가 제1 지그와 제2 지그에 공급되도록 회전축을 중심으로 회전될 수 있다. 예컨대, 테이블(242)은 제1 지그에 고분자 복합 소재가 공급된 후 회전되어 반대쪽 배치면의 제2 지그에 고분자 복합 소재가 공급되도록 위치될 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨베이어 벨트의 구성을 나타내는 도면이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨베이어 벨트(250)는 테이블(242)의 하부에 배치되어, 테이블(242)에 배치된 지그를 통해 성형된 3D 입체물을 수거하여 다음 공정으로 이송할 수 있다.

한편, 도 1a 내지 도 10에 도시된 헤드 유닛으로 공급될 수 있는 고분자 복합 재료(50)는, 고분자 재료(polymer material) 또는 복합 재료(composite material)의 연속적으로 이어진 스트랜드(strand), 얀(yarn), 토우(tow), 번들(bundle), 밴드(band), 테이프(tape) 등이다. 여기서, 고분자 재료로는 PLA, PE, PP, PA, ABS, PC, PET, PEI, PEEK 등의 열가소성 수지(thermoplastics) 혹은 에폭시(epoxy), 불포화 폴리에스터 수지(unsaturated polyester), PI, PUR 등의 열경화성 수지(thermosetting resins)일 수 있다. 고분자 재료는 이에 한정되지 않는다. 여기서, 보강재(reinforcing fibers)는 GF(glass fiber), CF(carbon fiber), NF(natural fiber), AF(aramid fiber) 등일 수 있다. 또한, 복합 재료는 유리 섬유, 탄소 섬유, 보론 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 아라미드 섬유, 각종 휘스커(whisker) 또는 이들의 조합일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

도 1a 내지 도 10에 도시된 헤드 유닛으로 공급될 수 있는 고분자 복합 재료(50)는, 상기 고분자 재료에 상기 복합 재료가 혼합된 것일 수 있다.

도 1a 내지 도 10에 도시된 헤드 유닛으로 공급될 수 있는 고분자 복합 재료(50)의 또 다른 구체적인 예를 도 11 내지 도 12를 참조하여 설명한다.

도 11은 본 발명의 헤드 유닛에 공급될 수 있는 고분자 복합 재료의 일 예이고, 도 12는 도 11에 도시된 고분자 복합 재료의 다른 일 예이다.

도 11과 도 12를 참조하면, 고분자 복합 재료(50, 50')는 심재(52)와 심재(52)를 둘러싸는 섬유층(54)과 코팅층(56)을 포함한다.

도 11에 도시된 고분자 복합 재료(50)는, 심재(52)를 섬유층(54)이 둘러싸고, 섬유층(54)을 코팅층(56)이 둘러싸는 구조이고, 도 12에 도시된 고분자 복합 재료(50')는 심재(52)를 코팅층(56)이 둘러싸고, 코팅층(56)을 섬유층(54)이 둘러싸는 구조인 점에서 차이가 있다.

도 11과 도 12에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')에서의 심재(52)는 고분자 화합물과 섬유재 중 적어도 하나 이상을 포함한다.

고분자 화합물은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고분자 화합물은 폴리 젖산(PolyLactic Acid; PLA), 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE), 폴리프로필렌(PolyPropylene; PP), 폴리아미드(PolyAmide; PA), 에이비에스(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene; ABS), 폴리메타크릴산메칠(Poly Methyl MethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate; PET), 폴리부틸렌테레프탈레이드(PolyButylene Terephthalate; PBT), 폴리에테르이미드(PolyEtherImide; PEI), 폴리페닐렌설파이드(PolyPhenylene Sulfide; PPS), 폴리에텔에텔케톤(PolyEtherEtherKetone; PEEK), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate; EVA), 폴리우레탄(PolyUrethane; PU), 에폭시(EPoxy; EP), 불포화 폴리에스터(Unsaturated Polyester; UP), 폴리이미드(PolyImide; PI), 페놀릭(PHenolic; PF) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

섬유재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 점조화 유체 섬유, 형상 기억 합금 섬유, 광 섬유, 압전 섬유, 현무암(Basalt) 섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 고분자 화합물과 혼합되었을 때 섬유재는 고분자 화합물의 보강재일 수 있다. 어떤 섬유재는 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 몇몇의 층들로 코팅될 수 있다. 이 경우, 섬유재는 작은 직경을 갖는 케이블의 구조를 가질 수 있다.

심재(52)의 형태는 스트랜드 형태뿐만 아니라 밴드 형태 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 심재(52)의 형태는 연속적으로 이어진 스트랜드, 얀, 고분자 복합 재료, 번들, 밴드, 테이프 등의 형태와 실질적으로 동일할 수 있다. 심재(52)는 일방향성을 가질 수 있다.

예를 들어, 심재(52)는 일방향 스트랜드일 수 있다. 이를 위해 심재(52)는 예열된 재료 스트랜드를 압밀함으로써 형성될 수 있다. 즉, 심재(52)는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 재료 스트랜드를 소정의 온도에서 압밀함으로써 형성될 수 있다. 재료 스트랜드는 크릴 유닛이 구비한 적어도 하나의 보빈에 감길 수 있다. 실시예에 따라, 서로 다른 물질을 포함하는 2 이상의 재료 스트랜드들이 하나의 보빈에 감길 수 있다. 보빈은 재료 스트랜드를 정렬시킬 수 있고, 재료 스트랜드를 보관할 수 있다. 재료 스트랜드는 보빈에서 풀려나올 수 있고, 풀려나온 재료 스트랜드는 예열 유닛의 예열 위치로 공급될 수 있다. 예열 위치에서 재료 스트랜드는 기 설정된 온도로 예열될 수 있다. 여기서 기 설정된 온도는 재료 스트랜드가 압축 및 압밀되기에 충분한 온도일 수 있다. 재료 스트랜드는 예열 유닛에 의해 기 설정된 온도로 예열될 수 있고, 예열된 재료 스트랜드는 압축 유닛에 공급될 수 있다. 예열된 재료 스트랜드는 압밀될 수 있다. 기 설정된 온도를 갖는 재료 스트랜드는 압축 유닛에 의해 2 이상이 함께 압축 및 압밀될 수 있다. 예열 및 압밀 과정을 거치는 동안, 재료 스트랜드는 2 이상이 서로 합쳐질 수 있다. 그 결과, 일방향성을 갖는 심재(52)가 형성될 수 있다.

실시예에 따라, 구성 물질이 서로 다른 재료 스트랜드가 서로 합쳐질 수 있다. 이 경우, 형성된 심재(52)는 2 이상의 물질을 포함할 수 있다.

도 11과 도 12에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')에서의 섬유층(54)은 섬유재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유층은 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 점조화 유체 섬유, 형상 기억 합금 섬유, 광 섬유, 압전 섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 어떤 섬유재는 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 몇몇의 층들로 코팅될 수 있다. 이 경우, 섬유재는 작은 직경을 갖는 케이블 구조를 가질 수 있다. 심재(52)에 포함된 섬유재와 섬유층(54)에 포함된 섬유재는 실질적으로 서로 동일할 수 있지만, 심재(52)에 포함된 섬유재와 섬유층(54)에 포함된 섬유재는 실질적으로 상이할 수 있다.

섬유층(54)은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유층(54)은 폴리 젖산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 에이비에스, 폴리메타크릴산메칠, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에텔에텔케톤, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리우레탄, 에폭시, 불포화 폴리에스터, 폴리이미드, 페놀릭 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

섬유층(54)은 편조 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 편조 유닛에 의해 심재(52) 상에 편조될 수 있다. 여기서, 편조 유닛은 섬유재를 감고 있는 다수의 보빈을 구비할 수 있고, 보빈은 동일 원주 상에 소정의 간격을 두고 배치될 수 있다. 심재(52)가 원주 상의 중심을 통과할 때, 다수의 보빈은 회전함과 동시에 원주를 따라 이동할 수 있다. 이 때, 섬유재는 보빈으로부터 풀려나올 수 있고, 풀려나온 섬유재는 심재(52) 상에 편조됨으로써 편조 구조가 형성될 수 있다. 이렇게 편조된 섬유층(54)은 심재(52)가 방사상으로 가하는 압력(strain)이나 부하(load)를 견딜 수 있는 충분한 강성(rigidity/strength)을 가질 수 있다.

도 11과 도 12에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')에서의 코팅층(56)은 고분자 화합물을 포함할 수 있다. 여기서, 고분자 화합물은 코팅 폴리머(coating polymer)를 포함할 수 있다. 코팅 폴리머는 고분자 복합 재료(50)를 기초로 형성될 입체물을 결합시키기에 적절한 유동적 특성(rheological characteristic)을 가질 수 있다. 즉, 코팅 폴리머는 향후 고분자 복합 재료(50)를 기초로 형성될 입체물이 인접한 물질과 적절한 결합(suitable bonding)을 갖도록 할 수 있다. 이를 위해, 코팅 폴리머는 적절한 화학적 및/또는 물리적 접착력을 갖는 물질 중 하나로 선택될 수 있다. 예를 들어, 형성된 고분자 복합 재료(50)의 표면에 코팅층(160)이 위치하는 도 12에 도시된 실시예에서는 고점성(high viscosity)을 갖는 코팅 폴리머가 선택될 수 있다. 나아가, 코팅 폴리머는 향후 형성될 입체물이 인접한 물질과의 접촉면에서 발생되는 강한 전단력(shear)에도 견딜 수 있도록 선택될 수 있다.

한편, 특정 텍스처(texture)나 구조형태(configuration)가 고분자 복합 재료(50)에 요구된다면, 그립핑 구조(gripping configuration)가 고분자 복합 재료(50)의 표면에 형성될 수 있다. 즉, 코팅층(160)은 그립핑 구조를 포함할 수 있다. 그립핑 구조는 상호간의 기계적 결합력(bonding)을 향상시키는 구조일 수 있다. 예를 들어, 그립핑 구조는 고분자 복합 재료(50)와 후속으로 이루어지는 오버몰딩 재료 사이의 결합력을 향상시킬 수 있다. 코팅 폴리머는 "화학적" 본딩을 제공할 수 있고, 그립핑 구조는 부가적인 "기계적" 본딩을 제공할 수 있다. 그립핑 구조는 고분자 복합 재료(50)의 특정 표면 텍스처나 패턴을 구비할 수 있고, 전체적인 접촉 면적을 증가시킬 수도 있다.

도 11 및 도 12에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')는 심재(52), 섬유층(54) 및 코팅층(56) 사이의 물리적 상호작용에 기초하여 강성, 내구성 및 충격성 등의 성능을 조절할 수 있다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110, 210: 크릴 유닛
120, 220: 오븐 유닛
130, 230: 로봇
140, 240: 턴 테이블 유닛
150: 후공정 로봇
250: 컨베이어 벨트

Claims (13)

1. 공급받은 하나 이상의 재료에 열을 가하여 고분자 복합 재료로 합사시켜 이송시키고, 상기 합사된 고분자 복합 재료에 열을 가하는 오븐 유닛;
   상기 고분자 복합 재료가 토출되는 위치 또는 방향을 조절하고, 상기 조절된 위치 또는 방향에 따라 상기 오븐 유닛으로부터 공급 받은 고분자 복잡 재료를 토출하는 로봇; 및
   상기 로봇으로부터 토출된 고분자 복합 재료에 의해 3차원 입체물이 성형되는 적어도 하나의 배치면을 갖는 테이블을 포함하고, 상기 테이블을 회전 구동시키는 턴 테이블 유닛;을 포함하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 오븐 유닛은,
   상기 공급 받은 적어도 하나의 재료를 고분자 복합 재료로 합사시키는 합사부; 및
   상기 재료와 상기 고분자 복합 재료의 상부 또는 하부에 배치되어, 상기 재료와 상기 고분자 복합 재료에 열을 가하는 히팅부;를 포함하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 로봇은,
   상기 고분자 복합 재료를 상기 테이블에 실장된 지그에 토출하는 헤드 유닛; 및
   상기 헤드 유닛의 일측에 결합되어, 상기 고분자 복합 재료가 토출되는 상기 헤드 유닛의 위치 또는 방향을 조절하는 로봇 암;을 포함하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 로봇은,
   상기 고분자 복합 재료를 상기 테이블에 실장된 지그에 토출하는 헤드 유닛; 및
   상기 헤드 유닛의 일측에 결합되어, 상기 헤드 유닛을 제1축 방향 내지 제3축 방향 중 어느 한 방향으로 직선 이동시키는 이송 유닛;을 포함하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 이송 유닛은,
   상기 헤드 유닛의 일측에 결합되어, 상기 헤드 유닛을 제1축 방향으로 직선 이동시키는 제1 이송 유닛;
   상기 제1 이송 유닛의 일측에 결합되어, 상기 헤드 유닛을 제2축 방향으로 직선 이동시키는 제2 이송 유닛; 및
   상기 제2 이송 유닛의 양단에 결합되어, 상기 헤드 유닛을 제3축 방향으로 직선 이동시키는 2개의 제3 이송 유닛;을 포함하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 로봇은, 상기 오븐 유닛으로부터 공급 받은 고분자 복합 재료를 상기 헤드 유닛에 가이드하는 가이드부;를 더 포함하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
7. 제4항에 있어서,
   상기 오븐 유닛은, 상기 헤드 유닛이 제1축 방향 내지 제3축 방향 중 어느 한 방향으로 직선 이동 하는 경우, 상기 헤드 유닛과 동일한 방향으로 직선 이동하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 턴 테이블 유닛은,
   일정 간격으로 이격되어 배치된 두 개의 마운트; 및
   상기 두 개의 마운트 사이에 연결된 회전축에 결합되어 상기 회전축의 회전에 따라 회전하고, 상기 고분자 복합 재료에 의해 3차원 입체물이 성형되는 금형이 적어도 하나의 배치면에 실장된 테이블;을 포함하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 3차원 입체물이 성형된 상기 테이블이 회전되면, 상기 성형된 3차원 입체물을 수거하는 후공정 로봇;을 더 포함하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 후공정 로봇은,
    상기 성형된 3차원 입체물을 수거하는 핸드 유닛; 및
    상기 핸드 유닛의 일단에 연결되어, 상기 핸드 유닛의 위치 또는 방향을 조절하는 로봇 암;을 포함하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
11. 제9항에 있어서,
    상기 후공정 로봇은, 상기 턴 테이블 유닛을 기준으로 상기 로봇이 배치된 위치의 반대편에 위치하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
12. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 입체물이 성형된 상기 테이블이 회전되면, 상기 성형된 3차원 입체물을 수거하는 컨베이어 벨트;를 더 포함하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 컨베이어 벨트는, 상기 테이블의 하부에 위치하는, 3차원 입체물 제조 로봇 시스템.

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