KR20190098789A - 의자나 가구를 제조할 수 있는 3d 프린터 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 의자나 가구를 제조할 수 있는 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 열가소성 원료를 공급하는 시린지(Syringe); 상기 시린지에 연결되어 상기 시린지로부터 공급되는 상기 열가소성 원료를 가소화(plasticization, 可塑化)시키며, 가소화에 의해 용융된 수지의 사출 구동력을 제공하는 압출기; 상기 압출기와 연결되어 상기 압출기를 통해 압출되는 용융된 수지의 사출 경로를 제공하는 노즐; 상기 노즐을 통해 사출되는 상기 용융된 수지가 적층되어 입체 물품으로 형성되도록, 상기 적층된 수지의 지지면을 제공하는 베드; 및 상기 노즐 또는 상기 베드와 결합되어 상기 노즐 또는 상기 베드를 이동시킴으로써, 상기 용융되어 사출되는 수지의 사출 위치가 이동되도록 하는 구동부;를 포함하고, 상기 노즐은, 사출 높이가 상기 사출공의 직경보다 작은 크기의 높이로 설정되어 상기 용융된 수지를 사출하며, 상기 사출공이 형성된 상기 노즐의 사출면은 상기 용융된 수지의 사출 방향을 가로지르는 방향으로 평탄하게 연장형성되어, 상기 사출공에서 사출되는 용융된 수지가 상기 평탄한 사출면에 의해 가압되도록 함으로써, 상기 베드 또는 상기 베드에 기적층되어 경화된 수지에 압착되어 지지되도록 하여, 적층형 방식으로 조형되는 3D 프린팅 기법에서 설치되는 지지대의 사용량을 절감할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기적층되어 경화된 수지 위에 새로이 적층되는 용융된 수지가 압착되어 적층되도록 함으로써, 조형되는 출력물의 자체 지지력 보강에 따른 지지대의 사용을 크게 절감할 수 있으며, 용융된 수지가 압착되어 적층되도록 함으로써, 적층시 발생하는 기포 또는 돌출부분을 평탄화시켜 균일한 적층구조를 형성할 수 있으므로, 그에 따른 조형물의 완성도를 높일 수 있는 효과를 포함한다.

Description

의자나 가구를 제조할 수 있는 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법{3D PRINTER CAPABLE OF MANUFACTURING CHAIR OR FURNITURE AND 3D PRINTING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 의자나 가구 등을 제조할 수 있는 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.

3D 프린팅은 3차원으로 설계된 데이터를 기반으로 다양한 원료를 사출해 입체적인 형태의 물체를 만들어내는 기술을 말하며, 미국 3D System사社가 1980년대 초에 세계 최초로 개발하였다. 재료를 깎거나 잘라 만들던 기존의 제품 생산 방식과 달리 3D 프린팅은 얇은 층을 한층씩 쌓아 제작하기 때문에 적층가공기술(Additive Manufacturing) 이라고도 일컬어진다. 3D 프린팅에 사용되는 소재는 플라스틱, 액체형태의 재료, 고무, 스테인리스, 스틸에 이르기까지 다양하며 여러 소재를 혼합하여 제작하는 것도 가능하다.

3D 프린팅 기술은 현재까지 제조업 분야에서 많이 활용되고 있다. 기존의 제조 방식과 달리 틀 없이 프로토타입을 만들 수 있고, 여러 번의 수정을 거친 후 다시 만들어 확인 할 수 있기 때문에 제조업 분야의 시제품 개발 단계나 최종 제품을 생산할 수 있다.

이러한 적층형 프린팅 방식 중 조형 재료를 적층시켜 조형하는 FDM(Fused Deposition Modeling)이 가장 널리 보급되어 사용되고 있으며, 적층형 방식과 달리, 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(Stereo Lithographic apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하며 레이저 광선을 주사하여 고결(固結)시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering)와, 접착제가 칠해져 있는 종이를 레이져 광선을 통해 원하는 단면으로 절단하여 적층성형하는 LOM(Laminated Object Manufacturing)과, 잉크젯(Ink-jet) 프린팅 기술을 이용한 BPM(Ballistic Paticle Manufacturing) 등의 3D 프린팅 방식들이 있다.

그 중, FDM 프린팅 방식은 필라멘트 형태로 되어있는 재료를 고온의 노즐로 녹여 얇은 형태로 출력한 후, 한 층씩 적층하여 원하는 형상을 조형해 나가는 방식을 말한다.

FDM 프린터는 열에 녹는 물질을 가는 실 형태로 가공하여 공급하는 스풀, 스풀에 감겨진 필라멘트를 공급하는 피더(Feeder), 필라멘트를 녹여서 용융시키는 압출기 및 분사를 분사를 위한 노즐, 노즐의 분사 위치를 인쇄위치로 이동시키는 캐리어 및 출력물의 적재 및 인쇄 위치를 이동시키는 베드로 구성된다.

이와 같은 FDM 프린팅 방식은 스풀에 감겨져 있는 필라멘트를 피더를 통하여 연속으로 압출기로 공급하며, 압출기는 필라멘트를 녹여 노즐을 통해 분사되도록 하여 출력물을 적재하는 베드에 적층되도록 할 때, 노즐 또는 베드가 출력물의 인쇄위치를 조정함으로써, 그 이미지가 형상화되어 3차원 조형물이 형성된다.

이러한 FDM 방식의 장점은 구조와 프로그램이 간단해 유지보수 비용이 적으며, 플라스틱부터 나무, 금속, 초콜릿 등 다양한 소재를 재료로 사용할 수 있고, 단순한 구조로 대형화에 용이하므로, 다양한 산업분야에 적용가능하다. 더불어, 엔지니어링 플라스틱을 사용하기 때문에 다른 적층형 프린팅 방식에 비해 강도가 높다는 장점이 있다. 그러나, 표면조도와 정밀도가 낮아 세부 형상을 재현하는데 많은 어려움이 있고, 제작시간이 매우 길며, 노즐에서 나온 재료가 상온에서 굳어지는데 이때 열에 의해 팽창되었던 재료가 식으면서 줄어들어 출력물의 외형에 대한 변형이 일어날 수 있다는 단점도 있다.

또한, 재료를 적층시키는 과정에서 지지구조가 형성되기 이전 단계의 출력물은 자중에 의해 무너지는 문제로 인해, 별도의 지지대를 설치하거나, 지지대를 형성하는 수용성 재료를 함께 사출하여야 하는 번거로움은 물론, 지지대를 제거하여야 하는 문제와 함께 지지대가 형성되었던 부분을 후가공하여야 하는 문제를 안고 있다.

『대한민국 공개특허공보 제10-2016-0112093호, (공개일: 2016년09월28일, 한국전자통신연구원), 발명의 명칭: 3D 프린팅 지지대 검증 장치 및 방법』에는 3D 프린터 출력을 위하여 지지대가 적합하게 형성되었는지를 검증하는 장치 및 그 방법에 대한 내용을 개시하고 있다.

그러나, 종래기술은 3D 출력 데이터의 형상 및 구조에 따른 지지대를 최적화시키기 위해, 각 불연속점이나 변곡점 등에 알맞은 지지대의 구조를 산출하여 제시함으로써, 조형시간과 비용을 절감할 수 있는 방법을 제시하고 있으나, 출력물의 지지구조를 변경하여 자체적인 지지력을 보강하지 못하는 이상, 일정 수준 이상의 지지대 절감 효과는 거둘 수 없을 것으로 보인다.

더불어, 출력물의 정밀도 향상을 위하여 출력 공간 하부에 히트베드(Heat Bad)를 설치하지만, 조형물의 크기에 따라 히트베드의 발열 범위가 조절되는 것이 아니므로, 이에 따라 생산 비용이 증가하는 문제 또한 있을 것으로 보인다.

특허문헌 (0001) 『대한민국 공개특허공보 제10-2016-0112093호, (공개일: 2016년09월28일, 한국전자통신연구원), 발명의 명칭: 3D 프린팅 지지대 검증 장치 및 방법』

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 의자나 가구 등을 제조할 때, 적층형 방식으로 조형되는 3D 프린팅 기법에서 설치되는 지지대의 사용량을 절감할 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 전력 사용이 많은 종래의 히트베드를 대체하며, 조형물을 고정시켜 출력물의 정밀도를 높일 수 있는 기술을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 전술한 과제로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 또 다른 기술적 과제들은 후술할 내용으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 태양으로 의자나 가구를 제조할 수 있는 3D 프린터는, 열가소성 원료를 공급하는 시린지(Syringe); 상기 시린지에 연결되어 상기 시린지로부터 공급되는 상기 열가소성 원료를 가소화(plasticization, 可塑化)시키며, 가소화에 의해 용융된 수지의 사출 구동력을 제공하는 압출기; 상기 압출기와 연결되어 상기 압출기를 통해 압출되는 용융된 수지의 사출 경로를 제공하는 노즐; 상기 노즐을 통해 사출되는 상기 용융된 수지가 적층되어 입체 물품으로 형성되도록, 상기 적층된 수지의 지지면을 제공하는 베드; 및 상기 노즐 또는 상기 베드와 결합되어 상기 노즐 또는 상기 베드를 이동시킴으로써, 상기 용융되어 사출되는 수지의 사출 위치가 이동되도록 하는 구동부;를 포함하고, 상기 노즐은, 사출 높이가 상기 사출공의 직경보다 작은 크기의 높이로 설정되어 상기 용융된 수지를 사출하며, 상기 사출공이 형성된 상기 노즐의 사출면은 상기 용융된 수지의 사출 방향을 가로지르는 방향으로 평탄하게 연장형성되어, 상기 사출공에서 사출되는 용융된 수지가 상기 평탄한 사출면에 의해 가압되도록 함으로써, 상기 베드 또는 상기 베드에 기적층되어 경화된 수지에 압착되어 지지되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 노즐의 사출 높이는, 상기 용융된 수지의 재질에 따른 탄성변형률, 소성변형률, 온도 변화에 따른 수축 또는 팽창 변형률을 포함하는 재질의 물성에 기초하여 설정될 수 있다.

또한, 상기 노즐의 사출 높이는, 상기 사출공에서 사출되는 용융된 수지를 통해 상기 베드에 기적층되어 경화된 수지에 전달되는 하중, 또는 상기 사출공에서 사출되는 용융된 수지와 상기 베드에 기적층되어 경화된 수지와의 각도 차에 따라 조절될 수 있다.

그리고, 상기 베드는, 내부에 내열 테입층을 포함하는 복수개의 실리콘층으로 마련되어, 표면에 적층되어 경화되는 수지가 고정 지지되도록 할 수 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 태양으로 의자나 가구를 제조할 수 있는 3D 프린팅 방법은, 시린지가 압출기에 열가소성 원료를 공급하는 제1 단계; 상기 압출기가 상기 시린지로부터 공급되는 상기 열가소성 원료를 가소화시키며, 가소화에 의해 용융된 수지의 사출 구동력을 제공하는 제2 단계; 상기 노즐의 사출 높이가 사출공의 직경의 크기보다 낮은 크기의 높이로 설정된 상태로, 상기 압출기로부터 공급받은 상기 용융된 수지를 상기 사출공을 통해 사출하는 제3 단계; 상기 노즐을 통해 사출되는 상기 용융된 수지가 베드에 적층됨으로써, 경화된 수지가 조형물로 형성되는 제4 단계; 및 상기 조형물의 형성이 완료되면, 상기 노즐은 상기 용융된 수지의 사출을 중단하고 조형 과정을 종료시키는 제5 단계;를 포함한다.

그리고, 상기 제3 단계는, 상기 노즐의 사출 높이가 상기 용융된 수지의 탄성 변형률, 소성 변형률, 및 온도 변화에 따른 수축 또는 팽창 변형률을 포함하는 체적 변화에 기초하여 설정되는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제3 단계는, 상기 노즐의 사출 높이가 상기 사출공에서 사출되는 용융된 수지를 통해 상기 기적층되어 경화된 수지에 가해지는 하중, 또는 상기 사출공에서 사출되는 용융된 수지와 상기 기적층되어 경화된 수지와의 각도 차에 따라 조절되는 단계;를 포함할 수 있다.

그리고, 제3 단계 이전에, 내열 테입층이 포함되어 복수개의 실리콘 층으로 구성되는 상기 베드가 노즐의 사출 방향으로 설치되는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상술한 과제의 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 기적층되어 경화된 수지 위에 새로이 적층되는 용융된 수지가 압착되어 적층되도록 함으로써, 조형되는 출력물의 자체 지지력 보강에 따른 지지대의 사용을 크게 절감할 수 있다.

둘째, 용융된 수지가 압착되어 적층되도록 함으로써, 적층시 발생하는 기포 또는 돌출부분을 평탄화시켜 균일한 적층구조를 형성할 수 있으므로, 그에 따른 조형물의 완성도를 높일 수 있는 효과를 포함한다.

셋째, 기존의 히트베드를 대체하여 실리콘 재질의 출력 공간을 형성함으로써, 발열을 위한 전력을 절감할 수 있음은 물론 유지·보수를 위한 교체를 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 전체 구성을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동부의 다양한 구동에 의해 조형과정이 실시될 수 있는 일례를 보이기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐의 형상 및 구조를 보이기 위한 부분확대도이다.
도 4는 도 3의 노즐의 역할을 수행하는 다른 형상의 노즐의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 종래의 히트베드를 대체하여 실리콘 재질로 마련되는 실리콘 베드의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 사출되는 수지를 가압하기 위한 노즐 높이를 설정하고 조절하는 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.

본 발명의 의자나 가구 등을 제조할 수 있는 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법은, 크게 기적층되어 경화된 원료에 새로이 사출되어 용융된 원료가 압착 및 적층되어 조형물의 지지력을 공고히 하는 기술, 실리콘 재질로 마련되는 탈착식 베드로 기존의 열판을 대체하여 조형물의 고정함으로써, 프린터의 출력 정밀도를 높이는 기술, 및 기적층되어 경화된 원료에 사출되어 용융된 원료가 압착되는 과정을 제어하는 기술로 대별된다.

우선, 본 발명의 일 실시예에 사용되는 3D 프린터의 주요 구성에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 전체 구성을 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동부의 다양한 구동에 의해 조형과정이 실시될 수 있는 일례를 보이기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 3D 프린터(TP)는 가열에 의해 용융된 열가소성 원료를 디지털화된 3D 도면을 기초로 기설정된 위치에 사출 및 적층시켜 입체화된 물품을 조형하는 것으로, 시린지(100), 압출기(200), 노즐(300), 및 베드(400)의 구성을 포함한다.

시린지(100)(Syringe)는 외부로부터 가해지는 압력을 이용하여 열가소성 원료(이하, '수지'라 약칭한다)를 챔버 내로 공급하는 것으로, 공급관(110) 및 히팅코일(120)의 구성을 포함한다.

공급관(110)은 시린지(100)와 챔버를 연결하여 수지의 공급 경로를 형성하도록 마련되며, 히팅코일(120)은 공급관(110)의 외주면에 설치되어 공급관(110)을 통해 이동하는 수지의 냉각에 따른 고화를 경감함으로써 챔버로 공급되는 수지의 이동을 원활하게 한다.

여기서, 열가소성 원료는 입체화된 물품을 조형화하는 주요한 물질로, 플라스틱, 액체형태의 재료, 고무, 스테인리스, 스틸 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 챔버 내로 열가소성 원료를 용이하게 공급할 수 있는 여타의 그 어떠한 구성도 본 기술에 차용되어 사용될 수 있음은 물론이다.

압출기(200)는 시린지(100)와 노즐(300)을 연결하여 열가소성 원료의 이동 경로를 제공함은 물론, 내부에 마련된 스크류(210)의 압출 과정과 밴드히터(미도시)의 열을 이용하여 시린지(100)를 통해 공급되는 열가소성 원료를 가소화(plasticization, 可塑化)시키고, 가소화에 의한 용융된 수지가 노즐(300)에 공급되어 사출되도록 하는 사출 구동력을 제공한다.

이때, 압출기(200) 내에는 용융된 수지의 단열을 통해 고화를 방지하기 위한 중공부(220)가 길이방향을 따라 연장형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 압출기(200)는 스크류(210)의 회전력을 제어함으로써, 노즐(300)을 통해 사출되는 용융된 수지의 사출량 및 사출압을 제어할 수 있다. 이를 통해, 사출되는 용융된 수지의 보다 정밀한 적층 구조를 구현할 수 있으며, 적층선폭의 조절이 용이하고 균일하게 형성되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서의 스크류(210)는 오거 스크류(Auger Screw)로 마련되어 사용될 수 있다.

노즐(300)은 압출기(200)로부터 공급되는 용융된 수지의 이동로인 수지유로(310)와, 수지유로(310)의 끝단에 개구된 형상의 사출공(320), 및 사출공(320) 주변이 사출 경로를 가로지르는 방향으로 연장형성되어 적층되는 용융된 수지를 압착시키는 평탄면(330)으로 구성되며, 상술한 바와 같이 챔버의 하측에 설치됨으로써, 용융된 수지의 사출 경로를 제공한다.

노즐(300)의 형상 및 구조와 관련된 내용은 후술될 도 3 및 도 4에서 다시 상세히 설명하기로 한다.

베드(400)는 노즐(300)로부터 사출되어 경화되는 조형물이 안착 및 고정되는 출력 공간을 의미하며, 베이스(410)와 회전플레이트(420)의 구성을 포함한다.

베이스(410)는 조형물의 지지구조를 제공함과 동시에 카르테시안 방식 또는 멘델 방식과 같이 조형물의 위치를 이동시키는 구동면을 제공한다.

회전플레이트(420)는 베이스(410) 상부에 설치되어 베이스(410)를 중심으로 회전하는 회전체로, 노즐(300)을 통해 사출된 용융된 수지가 실제 안착되는 공간을 형성하며, 플레이트(421), 모터(422), 샤프트(423), 및 베어링(424)의 구성을 포함한다.

플레이트(421)는 회전플레이트(420)의 상판을 구성하여 용융된 수지의 안착 공간을 형성하며, 샤프트(423)를 통해 모터(422)에서 생성된 회전 구동력을 전달받아 회전한다. 이때, 플레이트(421)에는 회전체의 마모, 멸실, 진동, 소음을 경감하기 위한 베어링(424)이 추가로 설치되는 것이 바람직하며, 베어링(424)의 구성은 익히 알려진 공지된 기술이 사용될 수 있음은 물론이다.

이와 같은 회전플레이트(420)의 회전하는 구성을 통해, 적층되어 조형되는 용융된 수지의 곡선 및 원형 적층 구조가 부드럽게 형성될 수 있음은 물론, 적층시 발생하는 계단현상(Aliasing)을 크게 경감할 수 있다.

본 발명의 베드(400)는 회전플레이트(420)의 구성과 더불어 종래의 열판을 대체하여 실리콘 층으로 구성된 실리콘 층이 형성된 플레이트(421)로 구성되며, 관련 내용은 후술될 도 5에서 다시 상세히 설명하기로 한다.

한편, 본 발명의 노즐(300)은 사출되는 수지를 기설정된 위치에 적층시키기 위해 노즐(300)의 위치가 변경되도록 하여 그 사출 위치가 조정되는 것이 바람직하므로, 도 1에는 도시하지 않았으나 노즐(300)의 위치를 변경시킬 수 있는 구동부(미도시)의 구성이 추가적으로 마련된다.

구동부는 구동모터(미도시)에서 구동력을 제공받아, 노즐(300)의 위치를 이동시키거나 조형되는 입체 물품의 위치를 이동시키는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 베드(400)가 X축, Y축으로 움직이며 노즐(300)이 Z축으로 움직이는 카르테시안 방식,(도 2a) 노즐(300)이 X축, Y축으로 움직이고 베드(400)가 Z축으로 움직이는 멘델방식,(도 2b) 노즐(300)이 X축, Y축, Z축으로 움직이는 델타 방식(도 2c) 등으로 구현될 수 있다.

아래에서는, 기적층되어 경화된 원료에 새로이 사출되어 용융된 원료가 압착 및 적층되어 조형물의 지지력을 공고히 하는 기술에 대해 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐의 형상 및 구조를 보이기 위한 부분확대도이고, 도 4는 도 3의 노즐의 역할을 수행하는 다른 형상의 노즐의 구조를 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 노즐(300)은 용융된 수지(SR)가 수지유로(310)를 통해 사출공(320)으로 사출될 때, 사출 높이(d₂)가 사출공(320)의 직경(d₁)보다 낮은 높이로 설정되어 사출되는 용융된 수지(SR)가 사출공(320)이 형성된 사출면(330)을 통해 가압되도록 한다. 이를 통해 사출되는 용융된 수지(SR)는 기적층되어 경화된 수지(HR)에 압착됨으로써, 종래의 수지의 점성에 의존해 적층되어 조형되는 방식과 달리 압착력이 부가되어 조형물 자체의 지지력이 더욱 공고해 질 수 있다.

여기서, 사출 높이(d₂)는 사출되는 하나의 수지 층의 단위 높이 또는 단위 간격을 의미하며, 초기에 설정되는 사출 높이(d₂)는 노즐(300)의 압착 과정에 의해 수평 방향으로 팽창 및 변형되는 체적 변화를 고려하여 조형 부분의 크기(폭)에 일치되도록 설정되는 것이 바람직하다.

구체적으로, 사출되는 용융된 수지(SR)의 재질에 따른 탄성 변형률, 소성 변형률, 및 온도 변화에 따른 수축 또는 팽창 변형률을 포함하는 재질의 물성에 따라 노즐(300)의 가압력에 비례하는 체적 변화량을 기초로, 노즐(300)의 초기 사출 높이(d₂)가 설정되는 것이 바람직하다.

또한, 적층되는 수지의 층이 다수 층으로 늘어나는 경우, 즉, 출력 과정의 진행에 따라 적층되는 높이가 증가할수록, 압착력은 감소하는 것이 바람직할 수 있고, 상기 적층되는 경사각이 증가할수록 그에 따른 압착력 또한 감소하는 것이 바람직할 수 있으므로, 초기에 설정되는 노즐(300)의 사출 높이(d₂)는 상술한 적층되는 높이 및 적층되는 경사각에 따라 달리 조절되도록 한다.

나아가, 조형물의 입체 물품의 형상 변화에 따라 슬라이싱되는 부분에 불연속점이 존재하거나, 하강되다 다시 상승하는 상승변곡점 또는 상승하다 다시 하강하는 하강변곡점 부분에서는 단위 높이의 사출 높이(d₂)를 미세하게 조절하여 가압력을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

한편, 상술한 사출공(320)이 형성된 사출면(330)은 수지의 사출 방향을 가로지르는 방향으로 연장형성되되, 평탄면(330)으로 형성되어 상술한 사출면(330)의 가압 동작이 연속적이고 지속적으로 실시될 수 있게 한다.

이때, 사출면(330)의 내반경 즉, 사출공(320) 주변과, 사출면(330)의 외반경인 외주연부는 노즐(300)의 길이방향으로 라운드진 형태로 마련되어, 수지 사출을 원활하게 하거나 사출면(330)이 용융된 수지(SR)에서 용이하게 이탈 또는 이격되도록 하는 것이 바람직하다.

여기서, 노즐(300) 사출면(330)은 원형으로 형성되어 노즐(300)이 X축 또는 Y축을 따라 이동할 때, 형상의 치우침이 없도록 하는 것이 바람직하며, 사출면(330)의 외반경은 조형물 각 부분의 크기에 따라 변동되게 설정되어 사용될 수 있다.

예를 들어, 조형물의 각 세부 구성 부분들이 조밀한 경우, 그 조밀한 구성들을 조형하기 위해, 평탄면(330)(사출면)의 크기가 작은 노즐(300)이 사용되어 지는 것이 바람직하며, 각 구성 부분들이 조밀하지 않은 경우, 평탄면(330)의 크기가 큰 노즐(300)이 사용되어 지는 것이 바람직하다.

비록, 평탄면(330)이 작은 노즐(300)보다 큰 노즐(300)이 보다 지속적이고 연속적인 가압동작을 수행할 수 있으나, 조형물의 구성 부분들이 조밀한 경우, 그 조밀한 구조에 의해 이미 공고한 지지력이 형성될 수 있어, 평탄면(330)이 큰 노즐(300) 대신 평탄면(330)이 작은 노즐(300)이 사용되어도 그에 따른 손실은 미미하다 할 수 있으므로, 조형물의 조밀한 구조에 따라 평탄면(330)의 크기가 다른 노즐(300)을 사용하여도 동일한 효과를 달성할 수 있을 것으로 보인다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 노즐(300) 구조는 목적에 따라 평탄면(330)이 아닌 경사면(340) 또는 굴곡면(350)이 형성되어 사용될 수 있다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 도 3에 제안된 평탄면(330)을 대체하여 사출면(330)의 내반경으로부터 외반경으로 갈수록 경사가 완만한 경사면(340)이 형성되도록 함으로써, 연속적 및 지속적인 가압력을 제공함은 물론, 평탄면(330)과 달리 점층적인 가압력을 제공할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 용융된 수지(SR)를 압착하기 위해, 노즐(300)이 사출공(320)의 직경(d₁)보다 작은 사출 높이(d₂)에서 용융된 수지(SR)를 사출하여 평탄면(330)에 의해 압착될 때, 압착되는 수지는 급격한 압착으로 인해, 압착되어 팽창하는 부분의 형상이 고르지 못 한 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 완만한 경사를 갖는 경사면(340)를 통해 용융된 수지를 압착하여, 용융된 수지가 사출되어 적층된 상태에서 점층적으로 가압 및 압착되도록 함으로써, 팽창되는 부분의 형상이 고르게 형성할 수 있다.

이때, 완만한 경사의 각도는 사출공(320)의 직경(d₁)과 사출면(330)의 너비에 따라 각기 달리 형성될 수 있음은 물론이며, 노즐(300)의 사출 높이(d₂)는 사출공(320)의 직경(d₁)보다 작은 크기로 형성될 수 있으나, 사출공(320)의 직경(d₁)과 동일하거나 그 보다 큰 크기의 높이로 형성될 수 있다.

또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 평탄하게 형성되는 사출면(330)이 굴곡면(350)으로 이루어져, 사출되는 용융된 수지(SR)가 복수회에 걸쳐 압착되도록 함으로써, 적층되는 수지의 표면을 고르게 할 수 있다.

구체적으로, 적층되는 수지는 내부에 기포가 발생하는 경우, 또는 기적층되어 경화된 수지(HR)에 불규칙하게 형성되는 돌출부에 의해 평탄하지 않은 돌출된 표면을 갖는 경우에 복수회 가압 동작을 실시할 수 있는 굴곡면(350)을 이용하여 사출면(330)이 평탄면(330)으로 이루어지는 가압 동작에 비해 보다 사출되는 용융된 수지(SR)가 보다 고른 표면을 갖도록 형성할 수 있다. 이때, 굴곡면(350)는 유선형의 작은 곡률을 갖는 복수회 굴절된 면으로 형성되어 용융된 수지가 사출면(330)으로부터 이격됨 없이 복수회 가압되도록 하는 것이 바람직하다.

아울러, 앞서 설명한 평탄면(330), 경사면(340) 및 굴곡면(350)은 카본(Carbone) 코팅 처리되어 용융된 수지가 온도 변화에 따라 사출면(330)에 달라붙지 않도록 하여, 출력되는 조형물의 품질 저하를 경감하도록 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 실리콘 재질로 마련되는 탈착식 베드로 기존의 열판을 대체하여 조형물의 고정함으로써, 프린터의 출력 정밀도를 높이는 기술에 대해 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 종래의 히트베드를 대체하여 실리콘 재질로 마련되는 실리콘 베드(400)의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 베드(400)는 종래의 열판을 대체하기 위해, 플레이트(421)를 실리콘 재질로 마련하여 슬라이싱되는 조형물을 고정하는 것으로, 상부 실리콘층(421a), 내열 테입층(421b), 및 하부 실리콘층(421c)의 구성을 포함한다.

상하부 실리콘층(421a, 421c)은 성상(性狀)이 온도에 따라 변화되는 일이 적은 내열성과 산화되지 않는 내산화성, 각종 약품에 대한 저항성, 물에 대한 발수성이나 내수성, 전기의 절연성 등의 물성이 포함되도록 형성된다. 이를 통해, 상면에 슬라이싱되어 적층되는 조형물이 안착되어 고정되도록 함으로써, 기존의 열판을 대체하는 효과를 포함한다.

기존의 베드(400)는 열판으로 마련되는 출력판이 구비되고, 그 하부에 열판을 가열하기 위한 히터가 설치되어 열판을 가열함으로써, 상면에 슬라이싱되어 적층되는 조형물을 고정하므로 파손 또는 변형시 교체의 어려움이 있었고, 조형물의 크기나 구조와 별개로 열판을 모두 가열하여야 하는 불리함이 있어, 제조품의 생산 비용이 크게 증가하는 문제가 있었으나, 본 발명의 실리콘 재질로 마련되는 플레이트(421)를 구비한 베드(400)가 마련됨으로써, 상술한 문제를 해결할 수 있다.

또한, 상하부 실리콘층(421a, 421c) 내부에 내열 테입층(421b)이 형성되어 상부 실리콘층(421a)의 상면에 슬라이싱되어 적층되는 조형물의 온도에 의해 상부 실리콘층(421a)이 변형되는 것을 경감할 수 있다.

이때, 내열 테입층(421b)의 두께는 65㎛ 이상으로 마련되고, 나머지 상하부 실리콘층(421a, 421c) 역시 65㎛ 이상으로 마련되어, 베드(400)의 두께가 200㎛ 이상으로 구비될 때에는 상부 실리콘층(421a) 상면에 슬라이싱되어 적층되는 조형물과의 접면에 기포가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 내열 테입층(421b)이 PI tape(Polyimide tape)으로 사용될 수 있다.

이하에서는, 기적층되어 경화된 원료에 사출되어 용융된 원료가 압착되는 과정을 제어하는 기술에 대해 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 사출되는 수지를 가압하기 위한 노즐 높이를 설정하고 조절하는 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명의 일 실시예의 3D 프린터(TP)를 이용한 프린팅 기법은 슬라이싱 단계에서 사출되어 용융된 수지(SR)가 기적층되며, 경화된 수지(HR)에 압착되어 보다 공고히 지지되도록 함으로써, 지지대의 사용이 절감되도록 하는 것으로, 압착을 위한 가압력을 행사하기 위한 노즐(300)의 사출 높이(d₂)가 제어될 수 있어야 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 시린지(100)는 인쇄용 물질인 열가소성 원료를 압출기(200)로 공급한다.(S1100)

압출기(200)는 시린지(100)에서 공급되는 열가소성 원료를 노즐(300) 방향으로 밀어내는 것은 물론, 전단에 의한 마찰력을 이용하여 열가소성 원료를 가소화시켜 용융시켜 노즐(300)로 공급한다.(S1200)

이때, 압출기(200)의 회전속도 및 회전력을 제어하여, 사출되는 용융된 수지의 사출량 및 사출압이 제어되도록 할 수 있음은 물론이다.

여기서, 내열 테입층(421b)이 포함되어 복수개의 실리콘 층으로 구성되는 베드(400)를 노즐(300)의 사출 방향으로 마련하여 용융된 수지(SR)에 의해 조형되는 조형물을 고정한다.(S1300)

노즐(300)은 압출기(200)로부터 공급되는 용융된 수지(SR)를 사출하기 전에, 사출공(320)을 통해 사출되는 용융된 수지(SR)가 가압되어 압착되도록, 사출공(320)의 직경(d₁) 보다 낮은 높이에서 상기 용융된 수지(SR)를 사출한다.(S1400)

이때, 노즐(300)의 사출 높이(d₂)는 사출공(320)의 직경(d₁) 보다 낮은 높이로 사출되되, 사출되는 수지의 물성에 따라 노즐(300)의 가압에 의해 수평 방향으로의 팽창에 따른 체적 변화를 고려하여, 압착되어 팽창되는 수지의 폭이 슬라이싱되어 조형되는 부분의 설정된 크기(폭)에 일치되도록 설정한다.(S1410)

이때, 체적의 변화는 용융된 수지(SR)의 탄성 변형률, 소성 변형률은 물론, 온도 변화에 따른 수축 또는 팽창 변형률을 포함하여 산출되는 것이 바람직하다.

노즐(300)을 통해 용융된 수지(SR)가 사출되어 조형되는 과정에서, 노즐(300)은 사출 높이(d₂)가 조절되어 용융된 수지(SR)를 사출한다.(S1500)

여기서, 노즐(300)은 적층되는 수지의 층이 다수 층으로 늘어나는 경우, 사출되는 용융된 수지(SR)에 의해 적층되어 경화된 수지(HR)에 가해지는 하중 즉, 적층되는 높이에 따라 노즐(300)의 사출 높이(d₂)를 조절하여, 기적층되어 경화된 수지(HR)층에 가해지는 하중이 조절되도록 한다.(S1510)

또한, 노즐(300)은 적층되는 수지 층이 다수의 층으로 늘어나는 경우, 적층되는 다수 층의 경사각 변화에 따라 노즐(300)의 사출 높이(d₂)를 조절하여, 기적층되어 경화된 수지(HR)층에 가해지는 하중이 경사각에 의해 전단력으로 작용할 때, 그 전단력이 조절되도록 한다.(S1520)

나아가, 적층되는 부분에 불연속점이 존재할 경우, 또는, 하강되다 다시 상승하는 상승변곡점 또는 상승하다 다시 하강되는 하강변곡점 부분에서 노즐(300)의 사출 높이(d₂)를 조절하여, 기적층되어 경화된 수지(HR)층에 가해지는 하중이 조절되도록 한다.

베드(400)에 적층되어 조형되는 3D 입체 물품의 조형이 종료되면, 노즐(300)은 사출을 중단하고, 조형 과정을 종료시킨다.(S1600)

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 균등개념으로 이해되어져야 할 것이다.

TP : 3D 프린터
100 : 시린지(Syringe)
110 : 공급관
120 : 히팅코일
200 : 압출기
210 : 스크류
220 : 중공부
300 : 노즐
310 : 수지유로
320 : 사출공
330 : 평탄면(사출면)
340 : 경사면
350 : 굴곡면
400 : 베드
410 : 베이스
420 : 회전플레이트
421 : 플레이트
421a : 상부 실리콘층
421b : 내열 테입층
421c : 하부 실리콘층
422 : 모터
423 : 샤프트
424 : 베어링
SR : 용융된 수지 HR : 경화된 수지
d₁ : 사출공 직경 d₂ : 사출 높이

Claims (8)

1. 열가소성 원료를 공급하는 시린지(Syringe);
   상기 시린지에 연결되어 상기 시린지로부터 공급되는 상기 열가소성 원료를 가소화(plasticization, 可塑化)시키며, 가소화에 의해 용융된 수지의 사출 구동력을 제공하는 압출기;
   상기 압출기와 연결되어 상기 압출기를 통해 압출되는 용융된 수지의 사출 경로를 제공하는 노즐;
   상기 노즐을 통해 사출되는 상기 용융된 수지가 적층되어 입체 물품으로 형성되도록, 상기 적층된 수지의 지지면을 제공하는 베드; 및
   상기 노즐 또는 상기 베드와 결합되어 상기 노즐 또는 상기 베드를 이동시킴으로써, 상기 용융되어 사출되는 수지의 사출 위치가 이동되도록 하는 구동부;를 포함하고,
   상기 노즐은,
   사출 높이가 상기 사출공의 직경보다 작은 크기의 높이로 설정되어 상기 용융된 수지를 사출하며, 상기 사출공이 형성된 상기 노즐의 사출면은 상기 용융된 수지의 사출 방향을 가로지르는 방향으로 평탄하게 연장형성되어, 상기 사출공에서 사출되는 용융된 수지가 상기 평탄한 사출면에 의해 가압되도록 함으로써, 상기 베드 또는 상기 베드에 기적층되어 경화된 수지에 압착되어 지지되도록 하는 것을 특징으로 하는
   3D 프린터.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 노즐의 사출 높이는,
   상기 용융된 수지의 재질에 따른 탄성변형률, 소성변형률, 온도 변화에 따른 수축 또는 팽창 변형률을 포함하는 재질의 물성에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는
   3D 프린터.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 노즐의 사출 높이는,
   상기 사출공에서 사출되는 용융된 수지를 통해 상기 베드에 기적층되어 경화된 수지에 전달되는 하중, 또는 상기 사출공에서 사출되는 용융된 수지와 상기 베드에 기적층되어 경화된 수지와의 각도 차에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는
   3D 프린터.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 베드는,
   내부에 내열 테입층을 포함하는 복수개의 실리콘층으로 마련되어, 표면에 적층되어 경화되는 수지가 고정 지지되도록 하는 것을 특징으로 하는
   3D 프린터.
5. 시린지가 압출기에 열가소성 원료를 공급하는 제1 단계;
   상기 압출기가 상기 시린지로부터 공급되는 상기 열가소성 원료를 가소화시키며, 가소화에 의해 용융된 수지의 사출 구동력을 제공하는 제2 단계;
   상기 노즐의 사출 높이가 사출공의 직경의 크기보다 낮은 크기의 높이로 설정된 상태로, 상기 압출기로부터 공급받은 상기 용융된 수지를 상기 사출공을 통해 사출하는 제3 단계;
   상기 노즐을 통해 사출되는 상기 용융된 수지가 베드에 적층됨으로써, 경화된 수지가 조형물로 형성되는 제4 단계; 및
   상기 조형물의 형성이 완료되면, 상기 노즐은 상기 용융된 수지의 사출을 중단하고 조형 과정을 종료시키는 제5 단계;를 포함하는
   3D 프린팅 방법.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제3 단계는,
   상기 노즐의 사출 높이가 상기 용융된 수지의 탄성 변형률, 소성 변형률, 및 온도 변화에 따른 수축 또는 팽창 변형률을 포함하는 체적 변화에 기초하여 설정되는 단계;를 포함하는
   3D 프린팅 방법.
7. 제 5항에 있어서,
   상기 제3 단계는,
   상기 노즐의 사출 높이가 상기 사출공에서 사출되는 용융된 수지를 통해 상기 기적층되어 경화된 수지에 가해지는 하중, 또는 상기 사출공에서 사출되는 용융된 수지와 상기 기적층되어 경화된 수지와의 각도 차에 따라 조절되는 단계;를 포함하는
   3D 프린팅 방법.
8. 제 5항에 있어서,
   제3 단계 이전에,
   내열 테입층이 포함되어 복수개의 실리콘 층으로 구성되는 상기 베드가 노즐의 사출 방향으로 설치되는 단계;를 더 포함하는
   3D 프린팅 방법.

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