KR20220073436A - 3d 프린터용 분말 공급장치 - Google Patents

Abstract

3D 프린터용 분말 공급장치에 관한 것으로, 금속 분말과 보호가스 분위기를 형성하기 위한 불활성 가스를 공급받는 하우징 및 상기 하우징 내부에 설치되고 금속 분말을 미리 설정된 설정량만큼씩 나눠서 임시 저장하며, 임시 저장된 금속 분말과 불활성 가스를 골고루 혼합해서 레이저 헤드 측으로 공급하는 정량 공급부를 포함하는 구성을 마련하여, 스프로킷을 이용해서 금속 분말을 미리 설정된 설정량만큼씩 나눠서 임시 저장하고, 회전 동작에 의해 임시 저장된 금속 분말을 배출함으로써, 금속 분말을 불활성 가스에 고르게 분포시켜 혼합해서 레이저 헤드 측으로 공급할 수 있다.

Description

3D 프린터용 분말 공급장치{POWER FEEDER FOR 3D PRINTER}

본 발명은 3D 프린터용 분말 공급장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보호가스 분위기에서 레이저 빔을 조사하여 성형 대상물을 성형하도록 금속 분말을 공급하는 3D 프린터용 분말 공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 금속 3D 프린터는 금속 분말과 레이저를 이용하여 제품을 제작시 사용되는 것으로, DED(Direct Energy Deposition) 방식과 PBF(Powder Bed Fusion) 방식 및 ME(Material Extrusion) 방식 등 3가지 종류로 구분된다.

DED(Direct Energy Deposition) 방식은 고출력 레이저를 집광하고, 모재에 용융풀을 형성하여 금속 분말이나 와이어를 공급해서 적층하는 방식을 말한다.

PBF(Powder Bed Fusion) 방식은 금속 분말을 얇게 깔고, 레이저 프린터와 동일한 원리로 고출력 레이저를 분말에 조사해 용융시키는 방식으로 형상을 만들어 낸다. 이러한 PBF 방식은 DED 방식에 비해 강도는 떨어지나, 복잡한 형상제작에 유리하다.

ME(Material Extrusion) 방식은 금속보다는 플라스틱 계열에 적용되는 방식으로, 주로 액체 상태의 플라스틱을 밀어내어 적층하는 방식이다. 금속에 ME 방식을 적용하기 위해서는 고온에서 금속을 녹여야 하는 조건을 가진다.

이와 같이, 금속 3D 프린터는 금속 분말을 이용하여 제품을 제작하는 것으로, 레이저 빔은 광케이블을 거친 후 노즐유닛에 마련되는 레이저 헤드의 노즐을 통해 조사되면서 성형 대상물을 성형한다.

예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 종래기술에 따른 3D 프린터 및 분말 공급장치 구성이 개시되어 있다.

한편, 금속 3D 프린터는 수십 ㎛의 분말소재를 이용함에 따라, 분말이 고르게 분포되면서 공급되어야 한다.

그러나, 종래기술에 따른 3D 프린터에서는 분말이 챔버부로 공급되는 과정에서 온도 및 습도 등에 의해 분말 간의 응집력이 발생하고, 이로 인해 분말끼리 엉키거나 뭉쳐지는 현상이 발생한다.

이로 인해, 종래기술에 따른 3D 프린터는 분말의 엉킴이나 뭉침에 의해 프린팅 작업이 원활하게 진행되지 못하며, 이에 따라, 출력물의 조형성 및 기기의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 종래기술에 따른 3D 프린터는 금속 분말에 의해 발생하는 파티클이 노즐에 눌러붙어 노즐이 막히는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위해, 특허문헌 2 및 특허문헌 3에는 각각 분말을 공급하는 공급관 내부에 돌기를 형성하거나 메시를 설치하는 구성을 제안하였으나, 이와 같은 방법은 공급관의 구조가 복잡해지고, 분말의 엉킴이나 뭉침을 효과적으로 방지하는데 한계가 있었다.

대한민국 특허 등록번호 10-1646773호(2016년 8월 8일 공고) 대한민국 특허 등록번호 10-2020022호(2019년 9월 10일 공고) 대한민국 특허 등록번호 10-2020023호(2019년 9월 10일 공고)

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속 분말을 고르게 분포시켜 공급할 수 있는 3D 프린터용 분말 공급장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 금속 분말의 엉킴이나 뭉침을 방지하고, 분말에 의해 발생하는 파티클로 인한 노즐의 막힘을 예방할 수 있는 3D 프린터용 분말 공급장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치는 금속 분말과 보호가스 분위기를 형성하기 위한 불활성 가스를 공급받는 하우징 및 상기 하우징 내부에 설치되고 금속 분말을 미리 설정된 설정량만큼씩 나눠서 임시 저장하며, 임시 저장된 금속 분말과 불활성 가스를 골고루 혼합해서 레이저 헤드 측으로 공급하는 정량 공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 하우징의 상단에는 금속 분말이 저장된 저장탱크가 설치되는 설치공과, 보호가스 분위기를 형성하는 불활성 가스가 공급되는 공급공이 형성되고, 상기 하우징의 하단에는 상기 설정량만큼씩 나눠진 금속 분말과 불활성 가스가 혼합되어 배출되는 배출공이 형성되며, 상기 하우징의 내부에는 상기 정량 공급부가 설치되는 설치공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 설치공간의 상부는 상기 정량 공급부의 상부 형상에 대응되는 형상으로 형성되고, 상기 설치공간의 하단부는 벤츄리 효과를 이용해서 혼합된 금속 분말과 불활성 가스가 배출되는 속도를 향상시키록, 하방으로 갈수록 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 배출공은 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 배출공이 복수로 마련되는 경우, 복수의 배출공은 각각 복수의 레이저 헤드 측으로 혼합된 금속 분말과 불활성 가스를 각각 공급하거나, 하나의 레이저 헤드 측으로 혼합된 금속 분말과 불활성 가스를 공급해서 공급되는 분말과 불활성 가스의 공급량 및 공급압력을 증대하는 것을 특징으로 한다.

상기 정량 공급부는 금속 분말을 상기 설정량으로 나눠서 임시 저장하도록 외주면에 복수의 톱니가 형성되는 스프로킷, 상기 스프로킷의 전후면에 각각 설치되는 한 쌍의 가이드 플레이트 및 상기 스프로킷을 회전 동작하도록 구동하는 구동모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 스프로킷은 적어도 하나 이상 마련되고, 상기 스프로킷이 복수로 마련되는 경우, 복수의 스프로킷의 전후면에는 각각 상기 가이드 플레이트가 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 스프로킷의 개수와, 상기 스프로킷에 형성되는 톱니의 형상, 크기 및 개수는 상기 설정량에 따라 변경 가능한 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치에 의하면, 스프로킷을 이용해서 금속 분말을 미리 설정된 설정량만큼씩 나눠서 임시 저장하고, 회전 동작에 의해 임시 저장된 금속 분말을 배출할 수 있다는 효과가 얻어진다.

따라서, 본 발명에 의하면, 금속 분말을 불활성 가스에 고르게 분포시켜 혼합해서 레이저 헤드 측으로 공급할 수 있다는 효과가 얻어진다.

이로 인해, 본 발명은 금속 분말의 엉킴이나 뭉침을 방지하고, 분말에 의해 발생하는 파티클로 인한 노즐의 막힘을 예방할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치가 적용되는 3D 프린터의 사시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치의 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 하우징의 확대도,
도 4는 도 2에 도시된 A-A' 선에 대한 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 정량 공급부의 사시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치의 구성을 설명하기에 앞서, 도 1을 참조하여 3D 프린터용 레이저 헤드가 적용되는 3D 프린터의 구성을 간략하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치가 적용되는 3D 프린터의 사시도이다.

이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치가 적용되는 3D 프린터(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 보호가스 분위기에서 공급되는 금속 분말에 레이저 빔이 조사되어 성형 대상물을 성형하는 챔버부(11), 챔버부(11)에 보호가스와 금속 분말을 혼합해서 공급하는 분말 공급장치(12) 및 챔버부(11) 내부에 공급된 분말에 레이저 빔을 조사해서 성형 대상물을 성형하는 레이저 헤드(13)를 포함한다.

이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치가 적용되는 3D 프린터(10)는 성형 대상물의 성형 상태에 따라 분말 공급장치(12)와 레이더 헤드(13)를 이동시키도록 구동하는 구동부(14) 및 각 장치의 구동을 제어하는 제어부(도면 미도시)를 더 포함할 수 있다.

다음, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치의 구성을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 하우징의 확대도이다.

도 3에는 하우징의 전면 커버가 제거해서 하우징의 내부가 도시되어 있다.

그리고 도 4는 도 2에 도시된 A-A' 선에 대한 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 정량 공급부의 사시도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치(12)는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 금속 분말과 보호가스 분위기를 형성하기 위한 불활성 가스를 공급받는 하우징(20) 및 하우징(20) 내부에 설치되고, 금속 분말을 미리 설정된 설정량만큼씩 나눠서 임시 저장하며, 임시 저장된 금속 분말과 불활성 가스를 골고루 혼합해서 챔버부(11)에 설치된 레이저 헤드(13) 측으로 공급하는 정량 공급부(30)를 포함한다.

하우징(20)은 대략 육면체 형상으로 형성되고, 하우징(20)의 전면에는 전면 커버(22)가 결합되며, 하우징(20)의 후면에는 아래에서 설명할 정량 공급부(30)의 구동모듈(33)이 설치되는 케이스(23)가 탈착 가능하게 결합될 수 있다.

하우징(20)의 상단에는 저장탱크(21)가 설치되는 설치공과, 불활성 가스가 공급되는 공급공이 형성될 수 있다.

하우징(20)의 하단에는 상기 설정량만큼씩 나눠진 분말과 불활성 가스가 혼합되어 배출되는 배출공(24)이 형성되고, 하우징(20)의 내부에는 정량 공급부(30)가 설치되는 설치공간(25)이 형성될 수 있다.

설치공간(25)의 상부는 정량 공급부(30)의 상부 형상에 대응되도록, 단면이 대략 반원 형상으로 형성되고, 설치공간(25)의 하단부는 벤츄리 효과를 이용해서 혼합된 분말과 불활성 가스가 배출되는 속도를 향상시킬 수 있도록, 하방으로 갈수록 좁아지게 형성될 수 있다.

배출공(24)은 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.

즉, 본 발명은 배출공(24)을 복수로 형성하고, 복수의 레이저 헤드(13) 측으로 혼합된 분말과 불활성 가스를 각각 공급할 수 있다.

그리고 본 발명은 복수의 배출공(24)을 통해 하나의 레이저 헤드(13) 측으로혼합된 분말과 불활성 가스를 공급함으로써, 레이저 헤드(13) 측으로 공급되는 분말과 불활성 가스의공급량 및 공급압력을 증대할 수도 있다.

정량 공급부(30)는 금속 분말을 상기 설정량으로 나눠서 임시 저장하도록 외주면에 복수의 톱니가 형성되는 스프로킷(31), 스프로킷(31)의 전후면에 각각 설치되는 한 쌍의 가이드 플레이트(32) 및 스프로킷(31)을 회전 동작하도록 구동하는 구동모듈(33)을 포함할 수 있다.

구동모듈(33)은 전원을 공급받아 구동력을 발생하는 전기모터 또는 공기나 오일 등의 유체를 공급받아 구동력을 발생하는 유압모터로 마련될 수 있다.

물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 모터뿐만 아니라 다양한 방식으로 구동되는 구동모듈을 적용하도록 변경될 수 있다.

스프로킷(31)은 외주면에 형성된 복수의 톱니를 이용해서 저장탱크(21)에서 공급되는 분말을 미리 설정된 설정량만큼씩 나눠서 임시 저장하고, 회전 동작에 의해 임시 저장된 분말을 배출공(24) 측으로 배출할 수 있다.

즉, 스프로킷(31)의 각 톱니 사이 공간은 전후 측에 설치된 한 쌍의 가이드 플레이트(32)와 하우징(20)의 설치공간(25) 상측면에 의해 미리 설정된 설정량의 금속 분말이 임시 저장되는 저장공간의 기능을 할 수 있다.

여기서, 스프로킷(31)은 적어도 하나 이상 마련될 수 있다.

스프로킷(31)이 복수로 마련되는 경우, 복수의 스프로킷(31)은 각각 톱니가 서로 일정 간격만큼 이격되도록 배치되어 연속적으로 혼합된 분말과 가스를 배출할 수 있다.

여기서, 복수의 스프로킷(31) 사이에는 각 스프로킷(31)의 톱니 사이에 임시 저장된 금속 분말이 혼합되는 것을 방지하기 위해, 가이드 플레이트(32)가 더 설치되는 것이 바람직하다.

물론, 스프로킷(31)의 개수, 각 스프로킷(31)의 톱니 형상과 개수, 크기는 상기 설정량에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 스프로킷을 이용해서 금속 분말을 미리 설정된 설정량만큼씩 나눠서 임시 저장하고, 회전 동작에 의해 임시 저장된 금속 분말을 배출할 수 있다.

따라서, 본 발명은 금속 분말을 불활성 가스에 고르게 분포시켜 혼합해서 레이저 헤드 측으로 공급할 수 있다.

이로 인해, 본 발명은 금속 분말의 엉킴이나 뭉침을 방지하고, 분말에 의해 발생하는 파티클로 인한 노즐의 막힘을 예방할 수 있다.

다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 분말 공급장치의 작동방법을 상세하게 설명한다.

3D 프린터를 구동해서 성형 대상물을 성형시, 하우징은 불활성 가스와 금속 분말을 공급받는다.

이때, 정량 공급부의 스프로킷은 구동모듈에 의해 회전 동작하면서, 금속 분말을 외주면에 형성된 복수의 톱니 사이 공간에 미리 설정된 설정량만큼씩 나눠서 임시 저장한다.

그리고 스프로킷은 임시 저장된 금속 분말과 불활성 가스를 골고루 혼합해서 배출공을 통해 배출한다.

금속 분말과 혼합된 불활성 가스는 정량 공급부(30)에서 배출되어 챔버부(11)에 설치된 레이저 헤드(13) 측으로 공급된다.

여기서, 스프로킷(31)이 복수로 마련되는 경우, 복수의 스프로킷(31)은 각각 톱니가 서로 일정 간격만큼 이격되도록 배치되어 연속적으로 혼합된 분말과 가스를 배출할 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통해, 본 발명은 스프로킷을 이용해서 금속 분말을 미리 설정된 설정량만큼씩 나눠서 임시 저장하고, 회전 동작에 의해 임시 저장된 금속 분말을 배출할 수 있다.

따라서, 본 발명은 금속 분말을 불활성 가스에 고르게 분포시켜 혼합시켜 레이저 헤드 측으로 공급할 수 있다.

이로 인해, 본 발명은 금속 분말의 엉킴이나 뭉침을 방지하고, 분말에 의해 발생하는 파티클로 인한 노즐의 막힘을 예방할 수 있다.

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.

본 발명은 스프로킷을 이용해서 금속 분말을 미리 설정된 설정량만큼씩 나눠서 임시 저장하고, 회전 동작에 의해 임시 저장된 금속 분말을 배출해서 금속 분말을 불활성 가스에 고르게 분포시켜 레이저 헤드 측으로 공급하는 3D 프린터용 분말 공급장치 기술에 적용된다.

10: 3D 프린터
11: 챔버부 12: 분말 공급장치
13: 레이저 헤드 14: 구동부
20: 하우징 21: 저장탱크
22: 전면 커버 23: 케이스
24: 배출공 25: 설치공간
30: 정량 공급부
31: 스프로킷 32: 가이드 플레이트
33: 구동모듈

Claims (7)

1. 금속 분말과 보호가스 분위기를 형성하기 위한 불활성 가스를 공급받는 하우징 및
   상기 하우징 내부에 설치되고 금속 분말을 미리 설정된 설정량만큼씩 나눠서 임시 저장하며, 임시 저장된 금속 분말과 불활성 가스를 골고루 혼합해서 레이저 헤드 측으로 공급하는 정량 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 분말 공급장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하우징의 상단에는 금속 분말이 저장된 저장탱크가 설치되는 설치공과,
   보호가스 분위기를 형성하는 불활성 가스가 공급되는 공급공이 형성되고,
   상기 하우징의 하단에는 상기 설정량만큼씩 나눠진 금속 분말과 불활성 가스가 혼합되어 배출되는 배출공이 형성되며,
   상기 하우징의 내부에는 상기 정량 공급부가 설치되는 설치공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 분말 공급장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 설치공간의 상부는 상기 정량 공급부의 상부 형상에 대응되는 형상으로 형성되고,
   상기 설치공간의 하단부는 벤츄리 효과를 이용해서 혼합된 금속 분말과 불활성 가스가 배출되는 속도를 향상시키록, 하방으로 갈수록 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 분말 공급장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 배출공은 적어도 하나 이상 형성되고,
   상기 배출공이 복수로 마련되는 경우, 복수의 배출공은 각각 복수의 레이저 헤드 측으로 혼합된 금속 분말과 불활성 가스를 각각 공급하거나,
   하나의 레이저 헤드 측으로 혼합된 금속 분말과 불활성 가스를 공급해서 공급되는 분말과 불활성 가스의 공급량 및 공급압력을 증대하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 분말 공급장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 정량 공급부는 금속 분말을 상기 설정량으로 나눠서 임시 저장하도록 외주면에 복수의 톱니가 형성되는 스프로킷,
   상기 스프로킷의 전후면에 각각 설치되는 한 쌍의 가이드 플레이트 및
   상기 스프로킷을 회전 동작하도록 구동하는 구동모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 분말 공급장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 스프로킷은 적어도 하나 이상 마련되고,
   상기 스프로킷이 복수로 마련되는 경우, 복수의 스프로킷의 전후면에는 각각 상기 가이드 플레이트가 설치되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 분말 공급장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 스프로킷의 개수와, 상기 스프로킷에 형성되는 톱니의 형상, 크기 및 개수는 상기 설정량에 따라 변경 가능한 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 분말 공급장치.
   

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