KR20200142481A - 3d 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치 - Google Patents

3d 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각 수조의 온도를 자동 제어하여 일정한 연신률로 필라멘트가 연신 되도록 함으로써 직경 변화를 미연에 방지할 수 있는 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치에 관한 것으로,
필라멘트 제조장치(S)에서, 상기 수냉식 냉각구간(30)의 수조(31) 저면에는 수조(31)를 압출기(10) 방향으로 전, 후진 선택적으로 이동시키는 이동수단(100)을 구성시키되, 온도 및 직경을 포함하는 수치를 제어부(70)에서 제어하면서 이동수단(100)을 이동시켜 필라멘트(80)의 직경을 오차범위 내에서 자동 제어가 되도록 한 것이다.

Description

3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치{Automatic control device for diameter change of filament for 3D printer}
본 발명은 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치에 관한 것으로 더욱 상세히는 냉각 수조의 온도를 자동 제어하여 일정한 연신률로 필라멘트가 연신 되도록 함으로써 직경 변화를 미연에 방지할 수 있는 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 3차원 프린터는 3차원 형상의 물체를 성형하는 장치로서, 입체 재료에 레이저 광선을 주사하여 원하는 형태로 물체를 성형하는 광주사 방식 3차원 프린터, 입체 재료를 절삭하여 물체를 성형하는 절삭 방식 3차원 프린터, 선(thread) 형태의 합성수지 필라멘트를 용융시켜 원하는 형태로 적층하는 용융 방식(Fused Deposition Modeling(FDM) 또는 Fused Filament Fabrication(FFF)) 3차원 프린터 등이 있다.
상기와 같은 3차원 프린터 중에서, 용융 방식(FDM) 3차원 프린터는 설비비 및 물체의 성형 비용이 상대적으로 저렴하므로, 제품을 상업적으로 대량 생산하는 기업 뿐 아니라, 취미, 연구 또는 개인용으로 소량의 제품을 제조하는 학교, 가정, 연구실 등으로도 널리 보급되고 있다.
상기 용융 방식 3차원 프린터에서, 물체의 성형 원료로 사용되는 필라멘트는 폴리유산(poly lactic acid, PLA) 수지 등의 열가소성 수지로 이루어진다.
상기 필라멘트는 원료 공급 및 용융의 편의성을 위하여 수 내지 수십 미터(meter) 길이의 선(thread)의 형태를 가지며, 운반, 보관 및 사용에 용이하도록 나선 또는 권취된 코일 형태로 공급된다.
이러한 3D 프린터용 필라멘트는 도 1에서 도시된 바와 같이 합성수지 칩(chip)을 용융시킨 후, 스트랜드(strand) 형태로 압출하여 제조되는바, 합성수지 칩을 용융시켜(melting) 소정 굵기를 가지는 로드(rod) 형태의 용융 합성수지로 압출하는 압출기(10)와, 압출된 합성수지를 공기 중에서 소정 거리 이송시킴으로써, 합성수지를 냉각시켜 필라멘트로 성형하는 공냉식 냉각구간(20) 및 공냉식 냉각구간을 통과하면서 냉각된 필라멘트를 물이 채워진 수조를 통과시켜 냉각되도록 하는 수냉식 냉각구간(30)이 구비되며, 수냉식 냉각구간을 통과한 필라멘트의 직경을 일정하게 성형시켜주는 연신기(40) 및 연신기를 통과한 필라멘트의 직경을 레이저로 측정하는 레이저 측정기(50), 그리고 레이저로 측정한 필라멘트를 300M(1롤) 규격으로 권취 하는 권취롤러(60)를 포함하여 구성된다.
상기와 같은 필라멘트 제조장치는 필라멘트의 압출 냉각 과정에서 필라멘트에 일정한 장력이 인가되어야 하기 때문에 장치의 조작에 숙련공이 요구될 수밖에 없었다.
일반적으로 필라멘트의 평균 직경은 1.75±005mm로 관리되어야 3D프린터기의 출력에서 영향을 받지 않는데 1개 롤(300M) 을 제조할 때 오차범위 내에서 제조하기란 냉각시간과 연신 과정 등 서로 복합적으로 얽혀있어 상당히 난해한 작업이기 때문에 숙련공이 요구되는 것이었다.
물론, 숙련공이라고 하더라도 언급된 공차 범위 내에서 필라멘트를 제조한다는 것은 상당히 어려울 수밖에 없었으며, 그로 인한 작업의 피로도가 상승하는 등의 문제점이 있었다.
1. 특허등록 제10-1350993호(발명의 명칭 : 마이크로 캡슐을 이용한 난연 및 내열특성을 가지는 3D 프린터용 PLA 필라멘트 제조방법 및 이에 의해 제조된 PLA 필라멘트) 2. 특허등록 제10-1533998호(발명의 명칭 : 3차원 프린터용 필라멘트 제조장치) 3. 특허공개번호 제10-2016-0063877호(발명의 명칭 : 3D 프린터용 필라멘트 제조방법 및 이에 의해 제조된 필라멘트)
본원 발명에서는 상기와 같은 문제점의 인식과 필요성에 부합하기 위해 안출한 것으로 필라멘트의 직경 불량 내지 오차 범위 내에서 직경 관리를 수치 제어를 통해 숙련공이 아니더라도 수월하게 할 수 있도록 함과 동시에 양질의 제품을 대량생산할 수 있는 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치는 합성수지 칩을 용융시켜(melting) 소정 굵기를 가지는 로드(rod) 형태의 용융 합성수지로 압출하는 압출기(10)와, 압출된 합성수지를 공기 중에서 소정 거리 이송시킴으로써, 합성수지를 냉각시켜 필라멘트로 성형하는 공냉식 냉각구간(20) 및 공냉식 냉각구간을 통과하면서 냉각된 필라멘트를 물이 채워진 수조를 통과시켜 냉각되도록 하는 수냉식 냉각구간(30)이 구비되며, 수냉식 냉각구간을 통과한 필라멘트의 직경을 일정하게 성형시켜주는 연신기(40) 및 연신기를 통과한 필라멘트의 직경을 레이저로 측정하는 레이저 측정기(50), 그리고 레이저로 측정한 필라멘트를 300M(1롤) 규격으로 권취 하는 권취롤러(60)로 구성되는 필라멘트 제조장치(S)에 있어서, 상기 수냉식 냉각구간(30)의 수조(31) 저면에는 수조(31)를 압출기(10) 방향으로 전, 후진 선택적으로 이동시키는 이동수단(100)을 구성시키되, 온도 및 직경을 포함하는 수치를 제어부(70)에서 제어하면서 이동수단(100)을 이동시켜 필라멘트(80)의 직경을 오차범위 내에서 자동 제어가 되도록 한 것을 특징으로 한다.
이때 상기 이동수단(100)이라 함은 수조(31)를 일정구간 왕복 이송시킬 수 있는 컨베이어 형(110) 또는 볼스크류 형(120) 또는 레일 형(130) 중 선택된 어느 하나에 의해 왕복 이동되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부(70)는 레이저 측정기(50)에서 주기적 또는 실시간으로 측정한 직경 값과 제어부(70)에 기입력된 오차범위 값을 비교하여 상, 하 오차범위를 초과하기 직전에 이동수단(100)으로 지령을 전달하여 필라멘트의 직경 값에 따라 전, 후 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징을 갖는 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치는 필라멘트의 직경 변화를 작업자의 경험으로 제어 내지 관리하는 것이 아니라, 수치 제어에 의해 필라멘트의 직경을 균일하게 관리 내지 제어함으로써 양질의 제품을 대량생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 필라멘트 제조장치를 개략적으로 도시한 구성도
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시 예를 보인 구성도
도 3, 4는 본 발명의 또 다른 일실시 예를 보인 구성도
이하, 첨부된 도면 및 바람직한 실시 예에 따라 본 발명에서 제공하는 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치에 대해 설명한다.
먼저, 본 발명에서 제공하는 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치는 합성수지 칩을 용융시켜(melting) 소정 굵기를 가지는 로드(rod) 형태의 용융 합성수지로 압출하는 압출기(10)와, 압출된 합성수지를 공기 중에서 소정 거리 이송시킴으로써, 합성수지를 냉각시켜 필라멘트로 성형하는 공냉식 냉각구간(20) 및 공냉식 냉각구간을 통과하면서 냉각된 필라멘트를 물이 채워진 수조를 통과시켜 냉각되도록 하는 수냉식 냉각구간(30)이 구비되며, 수냉식 냉각구간을 통과한 필라멘트의 직경을 일정하게 성형시켜주는 연신기(40) 및 연신기를 통과한 필라멘트의 직경을 레이저로 측정하는 레이저 측정기(50), 그리고 레이저로 측정한 필라멘트를 300M(1롤) 규격으로 권취 하는 권취 롤러(60)로 구성되는 필라멘트 제조장치(S)에서, 상기 수냉식 냉각구간(30)의 수조(31) 저면에는 수조(31)를 압출기(10) 방향으로 전, 후진 선택적으로 이동시키는 이동수단(100)을 구성시키되, 온도 및 직경을 포함하는 수치를 제어부(70)에서 제어하면서 이동수단(100)을 이동시켜 필라멘트(80)의 직경을 오차범위 내에서 자동 제어가 되도록 한 것이다.
이때 상기 이동수단(100)이라 함은 수조(31)를 일정구간 왕복 이송시킬 수 있는 컨베이어 형(110) 또는 볼스크류 형(120) 또는 레일 형(130) 중 선택된 어느 하나에 의해 왕복 이동될 수 있다.
보다 구체적으로 수조(31)를 컨베이어 형(110)으로 설치할 때는 스텝모터(111)에 의해 구동되는 구동기어(113)와 피동기어(114) 간 컨베이어벨트(112)를 구조적으로 연결 구성한 다음 그 컨베이어벨트(112)의 상단에 수조(31)를 일체형으로 고정 후 제어부(70)의 제어에 따라 스텝모터를 구동시켜 수조(31)를 압출기(10) 기준으로 전, 후 방향으로 왕복 이동시키게 되는 것이다.
또한, 수조(31)를 볼스크류 형(120)으로 설치할 때는 스텝모터(121)에 의해 구동되는 스크류 볼트(122)의 회전에 따라 이동하는 이송 뭉치(123)와 수조(31)를 일체형으로 고정 후 제어부(70)의 제어에 따라 스텝모터를 구동시켜 수조(31)를 압출기(10) 기준으로 전, 후 방향으로 왕복 이동시키게 되는 것이다.
그리고 수조(31)를 레일 형(130)으로 설치할 때는 스텝모터(131)에 의해 구동되는 2쌍의 롤러(132)를 수조(31)의 저면에 일체형으로 고정 후 레일(133)의 상단에 안착시켜 제어부(70)의 제어에 따라 스텝모터를 구동시켜 수조(31)를 압출기(10) 기준으로 전, 후 방향으로 왕복 이동시키게 되는 것이다.
한편, 상기 제어부(70)는 레이저 측정기(50)에서 주기적 또는 실시간으로 측정한 직경 값과 제어부(70)에 기입력된 오차범위 값을 비교하여 상, 하 오차범위를 초과하기 직전에 이동수단(100)으로 지령을 전달하여 필라멘트의 직경 값에 따라 전, 후 방향으로 이동시키게 된다.
물론, 상기 언급된 이동 수단 이외에 실린더와 피스톤의 조합으로도 충분히 동일한 결과를 제공받을 수 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본원 발명의 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치는 연신기(40)를 통해 연신된 필라멘트(80)를 레이저 측정기(50)에서 주기적 또는 실시간으로 측정할 수 있으며, 측정한 직경 값은 실시간으로 제어부(70)로 정보를 전달하여 기입력된 오차범위 값과 비교연산을 하게 되는 것이며, 오차범위(예를 들어 직경이 가는 경우)를 벗어날 때는 필라멘트의 온도가 상승을 하여 연신율이 높아진 것이 원인이므로 제어부에서 이동수단의 스텝 모터로 지령을 전달하여 수조(31)를 압출기(10)로부터 좀더 이격시켜 필라멘트의 온도를 낮춰줌으로써 직경 관리가 용이하게 되는 것이다.
직경이 굵어진 경우에는 이와 반대의 방식으로 진행을 하게 되는바, 모든 것이 작업자의 수작업이 아닌 제어부의 수치 제어에 의해 자동으로 동작을 수행함으로써 양질의 제품을 대량으로 생산가능하게 되는 것이다.
본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 구성 요소의 부가, 변경 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
S: 필라멘트 제조장치
10: 압출기 20: 공냉식 냉각구간
30: 수냉식 냉각구간 40: 연신기
50: 레이저 측정기 60: 권취롤러
70: 제어부 80: 필라멘트
100: 이동수단 110: 컨베이어 형
111,121,131: 스텝 모터
112: 컨베이어 벨트 113: 구동기어
113: 피동기어 120: 볼스크류 형
122: 스크류 볼트 123: 이송 뭉치
130: 레일 형 132: 롤러
133: 레일

Claims (3)

  1. 합성수지 칩을 용융시켜(melting) 소정 굵기를 가지는 로드(rod) 형태의 용융 합성수지로 압출하는 압출기(10)와, 압출된 합성수지를 공기 중에서 소정 거리 이송시킴으로써, 합성수지를 냉각시켜 필라멘트로 성형하는 공냉식 냉각구간(20) 및 공냉식 냉각구간을 통과하면서 냉각된 필라멘트를 물이 채워진 수조를 통과시켜 냉각되도록 하는 수냉식 냉각구간(30)이 구비되며, 수냉식 냉각구간을 통과한 필라멘트의 직경을 일정하게 성형시켜주는 연신기(40) 및 연신기를 통과한 필라멘트의 직경을 레이저로 측정하는 레이저 측정기(50), 그리고 레이저로 측정한 필라멘트를 300M(1롤) 규격으로 권취 하는 권취 롤러(60)로 구성되는 필라멘트 제조장치(S)에 있어서,
    상기 수냉식 냉각구간(30)의 수조(31) 저면에는 수조(31)를 압출기(10) 방향으로 전, 후진 선택적으로 이동시키는 이동수단(100)을 구성시키되, 온도 및 직경을 포함하는 수치를 제어부(70)에서 제어하면서 이동수단(100)을 이동시켜 필라멘트(80)의 직경을 오차범위 내에서 자동 제어가 되도록 한 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동수단(100)은 수조(31)를 일정구간 왕복 이송시킬 수 있는 컨베이어 형(110) 또는 볼스크류 형(120) 또는 레일 형(130) 중 선택된 어느 하나에 의해 왕복 이동되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(70)는 레이저 측정기(50)에서 주기적 또는 실시간으로 측정한 직경 값과 제어부(70)에 기입력된 오차범위 값을 비교하여 상, 하 오차범위를 초과하기 직전에 이동수단(100)으로 지령을 전달하여 필라멘트의 직경 값에 따라 전, 후 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트의 직경 변화 자동 제어 장치.
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