KR20220110792A - 3d 프린터용 프린팅 장치 - Google Patents

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KR20220110792A
KR20220110792A KR1020227022583A KR20227022583A KR20220110792A KR 20220110792 A KR20220110792 A KR 20220110792A KR 1020227022583 A KR1020227022583 A KR 1020227022583A KR 20227022583 A KR20227022583 A KR 20227022583A KR 20220110792 A KR20220110792 A KR 20220110792A
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discharging
supply unit
printing device
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KR1020227022583A
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한스 바르겐
빅토어 로만
헨드릭 야늘레
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 3D 프린터용 프린팅 장치(10)에 관한 것이다. 이 경우, 프린팅 장치는 프린팅될 재료(38)를 용융 및 가소화하기 위한 계량 공급 유닛(18)과, 계량 공급 유닛(18)을 통해 제공된 재료(38)를 프린팅하기 위한 배출 유닛(14)을 포함하고, 계량 공급 유닛(18)과 배출 유닛(14)은 서로 분리된 상태로 배열되고, 서로 연결 가능하며, 배출 유닛(14)은 재료(38)의 수용을 위해 계량 공급 유닛(18)으로 운반 가능하고, 계량 공급 유닛(18)과 배출 유닛(14)을 연결하기 위하여 배출 유닛(14)의 노즐(74)과 계량 공급 유닛(18)의 커플링 위치(62)가 서로 접하게 된다.

Description

3D 프린터용 프린팅 장치
본 발명은 3D 프린터용 프린팅 장치와, 이러한 프린팅 장치의 작동 방법에 관한 것이다.
자신의 점성이 변화하는 재료를 위한 3D 프린터는 이러한 재료의 고체상을 원재료로서 얻고, 그로부터 액체상을 생성하고, 생성할 대상물의 일부인 위치들에서 이러한 액체상을 선택적으로 제공한다. 이러한 3D 프린터는 원재료가 프린팅을 위해 준비되는 프린트 헤드를 포함한다. 이 경우, 재료는 프린트 헤드 내의 채널들을 통해 추가 이송된다.
또한, 대상물이 생성될 작업면과 프린트 헤드 사이의 상대 이동을 생성하기 위한 수단이 제공된다. 이 경우, 프린트 헤드만이 이동되거나 작업면만이 이동될 수 있으며, 또는 프린트 헤드뿐만 아니라 작업면도 이동될 수도 있다. 작업면 상에서의 재료 배출에 영향을 미치기 위하여, 일반적으로는 계량 공급 구역에 힘을 제공하는 액추에이터가 프린트 헤드 내에 제공된다.
WO 2018/086792 A1호에는 3D 프린터용 프린트 헤드가 공지되어 있다. 이러한 프린트 헤드는, 프린팅될 원료가 프린트 헤드에 공급되도록 하는 공급부를 포함한다. 프린트 헤드 내에서 이러한 원료는 용융되고 가소화된다. 이러한 용융된 재료는 프린트 헤드 내부에서 배출 개구로 이송되고, 배출 개구를 통해 이러한 재료가 프린팅 영역에 제공된다.
본 발명의 범주에서는 3D 프린터용 프린팅 장치가 개발되었다. 이러한 프린팅 장치는 프린팅될 재료를 용융 및 가소화하기 위한 계량 공급 유닛과, 계량 공급 유닛을 통해 제공된 재료를 프린팅하기 위한 배출 유닛을 포함한다.
특히, 본 발명의 의미에서의 계량 공급 유닛은 원료가 공급되는 영역을 의미하고, 이러한 원료는 계량 공급 유닛 내에서 용융되고 가소화된다. 또한, 용융된 재료는 계량 공급식으로도 제공될 수 있다. 이 경우, 배출 유닛은 3D 몸체의 제조를 위한 재료가 방출 가능하도록 하는 영역이다.
본 발명에 따라, 계량 공급 유닛과 배출 유닛은 서로 분리된 상태로 배열되고, 서로 연결 가능하며, 배출 유닛은 재료의 수용을 위해 계량 공급 유닛으로 운반 가능하고, 계량 공급 유닛과 배출 유닛을 연결하기 위하여 배출 유닛의 노즐과 계량 공급 유닛의 커플링 위치가 서로 접하게 된다.
본 발명에서, 계량 공급 유닛과 배출 유닛은 이에 따라 서로 분리된다. 그러나, 이러한 두 유닛들은 재료의 수용을 위해 서로 연결될 수 있다. 그에 상응하게, 배출 유닛은 일정량의 용융된 재료가 수용될 수 있는 체적을 갖는다.
이를 통해, 계량 공급 유닛과 배출 유닛이 프린트 헤드 내에 함께 제공되는 프린트 헤드들에 비해 장점들이 달성된다는 것이 인식되었다. 특히, 이러한 두 유닛들의 분리를 통해, 용융된 재료를 갖는 배출 유닛이 실질적으로 갖는 더 낮은 중량이 이동된다. 이에 상응하게, 이러한 3D 프린터의 다이내믹이 개선된다.
다양한 기능들의 분리를 통해, 상응하는 유닛이 기능면에서 보다 최적으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 계량 공급 유닛 내의 재료에 힘을 인가하는 액추에이터는 더 이상 배출 유닛 내 배출량에 영향을 미치지 않는다. 이를 통해, 예를 들어 액추에이터들은 달성될 결과면에서 보다 효과적이고, 보다 저렴하게 구성될 수 있다.
배출 유닛으로부터 계량 공급 유닛을 분리하는 것은 재료 사용 효율이 개선된다는 추가적인 장점을 갖는다. 계량 공급 유닛 및 배출 유닛을 구비한 프린트 헤드에서, 도입된 재료는 용융된 재료가 배출 유닛 내에서 추후 응고되는 것을 방지하기 위하여 소모되어야 한다. 이를 통해, 모든 재료가 사용되지는 않는 경우가 빈번하므로, 낭비가 발생한다. 이와는 대조적으로, 계량 공급 유닛에 의해서는 필요한 양만 배출 유닛 내에 주입될 수 있다. 이에 따라, 재료 사용 효율이 최대화되고 비용이 절감되므로, 이러한 프린팅 장치에 의해 더욱 경제적인 제조가 가능하다.
경제성을 추가로 향상시키기 위하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 재료의 수용을 위해 단일 계량 공급 유닛과 교대로 상호 작용하는 복수의 배출 유닛들이 제공된다. 이는, 복수의 배출 유닛들을 위해 단지 하나의 계량 공급 유닛만 필요함을 의미한다. 이에 따라, 각각의 배출 유닛을 위해 별도의 계량 공급 유닛이 필요하지 않다. 이를 통해, 계량 공급 유닛의 활용도가 증가되므로, 이러한 설비의 경제성이 향상된다.
예를 들어 산업 설비에서, 본 발명의 바람직한 추가의 일 실시예에서 배출 유닛들은 서로 분리된 다양한 압력 챔버 유닛들에 할당된다. 이에 따라, 다양한 공작물을 각각 제조하는 복수의 프린팅 공정들의 배출 유닛들은 단지 하나의 계량 공급 유닛과 상호 작용할 수 있다.
이 경우, 배출 유닛을 계량 공급 유닛으로 운반하기 위해서는 바람직하게 하나의 별도의 운반 시스템이 제공된다. 이 경우, 운반 시스템은 공작물이 프린팅되는 영역으로부터 계량 공급 유닛으로 배출 유닛을 보내는 시스템이다. 이는 예를 들어 배출 유닛이 운반되는 레일 시스템을 통해 실행될 수 있다. 일 실시예에서, 이 경우 프린팅 축은 계량 공급 유닛에까지 도달되는 방식으로 연장될 수 있다. 이는 특히 소규모 시스템에서 바람직하다.
추가의 일 실시예에서, 배출 유닛은 로봇을 통해서도 계량 공급 유닛으로 보내질 수 있다. 동일한 방식으로, 배출 유닛은 계량 공급 유닛으로부터 다시 공작물로 운반될 수 있다. 이러한 운반 시스템은 특히 대규모 시스템에서 바람직하다.
이 경우, 운반 시스템은, 배출 유닛들이 간단하게 홀딩될 수 있으며, 특별히 배출 기능면에서 전문화될 수 있다는 장점을 갖는다. 이를 통해, 배출 유닛들을 위한 비용이 절감된다. 바람직하게, 운반 시스템은 이 경우 복수의 배출 유닛들을 운반하므로, 운반 시스템의 활용도가 개선된다. 이러한 운반 시스템을 위한 비용은 그에 상응하게 절감될 수 있다.
바람직한 일 개선예에서, 운반 시스템은 배출 유닛이 수용되는 가열 가능한 운반 캐리어를 포함한다. 이 경우, 운반 캐리어는 배출 유닛이 직접 홀딩되도록 하는 운반 시스템의 일부이다. 이 경우, 배출 유닛은 적어도 부분적으로 외측에서 운반 캐리어의 가열 가능한 부분에 의해 둘러싸인다. 운반 캐리어의 가열을 통해, 배출 유닛 내의 용융된 재료가 운반 중에 냉각되는 것을 최소화시킬 수 있다. 이에 상응하게, 배출 유닛 내의 재료의 저장 시간이 연장된다.
배출 유닛은 바람직하게는 프린팅 장치 내에 교체 가능하게 배열된다. 다시 말해, 사용 중인 배출 유닛은 또 다른 배출 유닛으로 교체될 수 있다. 이는, 상이한 노즐 개구, 단면 또는 체적을 갖는 배출 유닛이 프린팅에 사용될 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 배출 유닛의 색상이 변경될 수 있다. 이를 통해, 배출 유닛은 요구되는 공작물 제조에 보다 최적으로 매칭될 수 있으므로, 공작물의 제조가 개선된다. 배출 유닛의 교체는 바람직하게는 작동 중에 가능하다. 이를 통해, 제조 중단이 필요하지 않으므로, 제조가 더욱 신속하고 더욱 경제적으로 실행 가능하다. 이 경우, 배출 유닛은 바람직하게는 자동으로 교체되므로, 인건비가 절감될 수 있다.
바람직하게, 배출 유닛은 배출 피스톤을 포함하고, 이러한 배출 피스톤은, 재료의 수용 시에 배출 유닛의 충전 방향에 반대하는 힘이 제공 가능하게 하는 수단과 상호 작용한다. 이에 따라, 계량 공급 유닛에서 배출 유닛이 충전되는 중에, 수용되는 재료에 반대하여 힘이 인가된다. 이 경우, 배출 피스톤은, 배출 유닛 내에서 이동 가능하고, 배출 유닛 내에 수용된 재료에 작용하는 피스톤이다. 바람직한 일 실시예에서 이러한 수단은 스프링이다. 이 경우, 이러한 힘은, 이러한 수단이 배출 피스톤의 복귀 이동을 제동한다는 장점을 갖는다. 이를 통해, 공기없는 배출 유닛의 충전이 보장될 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 서보 모터에 의해 구동되는 배출 피스톤이 제공되므로, 재료가 프린팅을 위해 외부로 토출 가능하다. 서보 모터는, 재료가 배출 유닛으로부터 외부로 토출되는 것의 정확성과 재현성이 이에 따라 향상된다는 장점을 갖는다. 이를 통해, 공작물의 품질이 훨씬 개선된다.
종래 기술로부터 공지된 프린트 헤드와는 대조적으로, 배출 유닛의 서보 모터는 균질한 용융물에만 작용한다. 이를 통해, 이러한 서보 모터를 위해 저전력이 요구되므로, 절감된 비용으로 인해 이러한 서보 모터의 구현이 가능해진다.
계량 공급 유닛 내의 큰 힘을 보장하기 위하여, 계량 공급 유닛은 바람직하게는 계량 공급 유닛 내의 재료를 외부로 토출하기 위해, 유압 또는 전기 모터에 의해 구동되는 계량 공급 피스톤을 포함한다. 이 경우, 계량 공급 피스톤은 마찬가지로 계량 공급 유닛 내에 이동 가능하게 배열되고, 이러한 재료를 계량 공급 유닛으로부터 배출 유닛 내로 이송하기 위하여 계량 공급 유닛 내의 재료에 힘을 인가한다. 높은 정확성이 요구되는 배출 유닛과는 대조적으로, 계량 공급 유닛에서는 이에 따라 충분한 힘이 제공될 수 있다. 계량 공급 유닛으로부터 배출 유닛을 분리함으로써, 이에 따라 각각의 유닛이 기능면에서 최적화될 수 있다.
추가적으로, 본 발명은 이러한 프린팅 장치의 작동 방법을 제시한다. 이 경우, 이러한 방법은, 배출 유닛을 계량 공급 유닛으로 운반하는 단계, 배출 유닛을 계량 공급 유닛과 연결하는 단계, 프린팅될 재료로 배출 유닛을 충전하는 단계, 그리고 프린팅될 영역으로 배출 유닛을 운반하는 단계를 포함한다. 계량 공급 유닛을 배출 유닛과 연결할 때, 이러한 두 유닛들은 재료가 계량 공급 유닛으로부터 배출 유닛으로 전달 가능하도록 서로 밀봉 연결된다. 이러한 방법에 의해, 상술한 장점들이 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 도면에 도시되어 있으며, 하기 설명 내용에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 배출 유닛의 충전 중의 프린팅 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 배출 유닛의 운반 중의 프린팅 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 다양한 압력 챔버 유닛들 내에 배열된 복수의 배출 유닛들을 구비한 프린팅 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 프린팅 장치의 작동 방법을 도시한 도면이다.
도 1에는 배출 유닛(14)의 충전 중의 프린팅 장치(10)의 일 실시예가 도시되어 있다. 이 경우, 도 1은 단면도로 도시되어 있다. 배출 유닛(14)에 추가하여, 프린팅 장치(10)는 계량 공급 유닛(18)을 포함한다. 이 경우, 계량 공급 유닛(18)은 주입 깔때기(26)가 배열되는 본체(22)로 형성된다. 주입 깔때기(26) 내로는 고체 형태로 존재하는 원료(30)가 주입 가능하다. 주입 깔때기(26)는, 본체(22)를 통해 형성된 계량 공급 챔버(34)와 직접적으로 연결된다. 이러한 계량 공급 챔버(34) 내에서, 원료(30)는 용융되고 가소화되어, 프린팅 가능한 재료(38)를 형성한다.
계량 공급 챔버(34)는 측방향 계량 공급 피스톤 개구(42)를 포함한다. 이러한 계량 공급 피스톤 개구(42) 내에는, 계량 공급 챔버(34) 내로 돌출되는 계량 공급 피스톤(46)이 배열된다. 계량 공급 피스톤(46)을 통해서는 계량 공급 피스톤 힘(FD)이 계량 공급 챔버(34) 내의 재료(38)에 제공될 수 있으므로, 이러한 재료는 계량 공급 피스톤 개구(42) 반대편에 놓인 계량 공급 토출 개구(50)의 방향으로 압축 가능하다.
계량 공급 토출 개구(50)에서 계량 공급 유닛(18)은 채널(58)을 형성하는 커플링 요소(54)를 포함하므로, 계량 공급 토출 개구(50)를 통해 제공된 재료(38)는 커플링 요소(54)의 커플링 위치(62)로 토출 가능하다. 커플링 위치(62)에 배출 유닛(14)이 배열되므로, 이러한 배출 유닛(14)은 용융된 재료(38)를 수용할 수 있다.
배출 유닛(14)은, 용융된 재료(38)가 수용 가능한 배출 챔버(70)를 형성하는 배출 몸체(66)를 포함한다. 배출 몸체(66)의, 커플링 위치(62)와 연결된 단부에는 노즐(74)이 형성되고, 이러한 노즐을 통해서는 용융된 재료(38)가 수용될 수 있다. 마찬가지로, 이러한 노즐(74)을 통한 재료(38)는 공작물(미도시)에 제공된다.
배출 챔버(70) 내부에는 재료(38)가 외부로 토출될 수 있도록 하는 배출 피스톤(78)이 배열된다. 배출 피스톤(78)의 상부에는, 충전 중에 충전 방향에 반대하는 힘(FF)이 제공되도록 하는 수단(82)이 배열된다. 이러한 실시예에서, 수단(82)은 개략적으로 도시된 스프링으로서 형성된다. 배출 피스톤(78)에 인가된 힘(FF)을 통해서는, 공기없는 배출 유닛(14)의 충전이 보장된다. 이 경우, 충전 중에 배출 피스톤(78)은 스프링(82)의 방향으로 변위된다.
도 2에는 배출 유닛(14)의 운반 중의 프린팅 장치(10)의 일 실시예가 도시되어 있다. 이러한 도면에는 특히 프린팅 장치(10)의 운반 시스템(86)이 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 운반 시스템(86)은 본 도면에 개략적으로 도시된 모터(M)와 연결되는 축 유닛(90)으로 형성된다. 이러한 운반 시스템(86)을 통해, 배출 유닛(14)은 제조될 공작물(미도시)과 계량 공급 유닛(18) 사이에서 운반 가능하다. 이 경우, 운반은 자동으로 실행될 수 있다.
이러한 실시예에서, 추가적으로 운반 시스템(86)은, 배출 유닛(14)을 외측에서 둘러싸는 운반 캐리어(94)를 포함한다. 이 경우, 운반 캐리어(94)는 특히 히터(98)를 포함하며, 이러한 히터를 통해 배출 유닛(14) 내의 재료는 운반 중에 가열 가능하다. 이를 통해, 배출 유닛(14) 내의 재료의 저장 시간이 연장될 수 있으므로, 예를 들어 더 긴 운반 경로 또는 운반 시간도 가능하다. 본원에 도시되지 않은 일 실시예에서, 운반 시스템(86)은 로봇을 통해서도 구현될 수 있다.
도 3은 다양한 압력 챔버 유닛(102)들 내에 배열된 복수의 배출 유닛(14)들을 구비한 프린팅 장치(10)의 일 실시예를 도시한다. 이 경우, 각각의 압력 챔버 유닛(102)은 상이한 공작물을 제조한다. 각각의 압력 챔버 유닛(102) 내에는, 각각 프린트 헤드 몸체(106)에 의해 수용되는 배출 유닛(14)이 배열되고, 이러한 프린트 헤드 몸체를 통해서는 배출 유닛(14)이 이동 가능하다. 운반 캐리어(94)와 마찬가지로, 프린트 헤드 몸체(106)는 히터(미도시)를 구비하도록 형성될 수 있다.
압력 챔버 유닛(102)들은 특히 단일의 운반 시스템(86)을 통해 계량 공급 유닛(18)과 연결된다. 그에 상응하게, 복수의 배출 유닛(14)들이 단일의 운반 시스템(86)을 통해 단일의 계량 공급 유닛(18)과 연결될 수 있다. 이를 통해, 구성 요소들의 활용도가 개선된다.
도 4에는 프린팅 장치(10)의 작동 방법이 도시되어 있다. 제1 단계(A)에서, 배출 유닛(14)은 계량 공급 유닛(18)으로 운반된다. 제2 단계(B)에서, 배출 유닛(14)은 계량 공급 유닛(18)과 결합된다. 이 경우, 계량 공급 유닛(18)과 배출 유닛(14) 사이에 밀봉 연결부가 형성된다. 그에 후속하는 단계(C)에서, 배출 유닛(14)은 계량 공급 유닛(18)에 의해 충전된다. 이 경우, 배출 유닛(14)은 완전히 채워질 수 있다. 마찬가지로, 배출 유닛(14)은 특정 양의 재료로만 충전될 수 있다. 이 경우, 이러한 양은 완전한 재료 활용도가 보장되는 방식으로 할당된다. 최종 단계(D)에서, 이와 같은 방식으로 채워진 배출 유닛(14)은 프린팅 영역으로 운반된다. 이러한 공정은 프린팅 중에 여러 번 반복될 수 있다.

Claims (10)

  1. 프린팅될 재료(38)를 용융 및 가소화하기 위한 계량 공급 유닛(18)과, 계량 공급 유닛(18)을 통해 제공된 재료(38)를 프린팅하기 위한 배출 유닛(14)을 포함하는, 3D 프린터용 프린팅 장치(10)에 있어서,
    계량 공급 유닛(18)과 배출 유닛(14)은 서로 분리된 상태로 배열되고, 서로 연결 가능하며, 배출 유닛(14)은 재료(38)의 수용을 위해 계량 공급 유닛(18)으로 운반 가능하고, 계량 공급 유닛(18)과 배출 유닛(14)을 연결하기 위하여 배출 유닛(14)의 노즐(74)과 계량 공급 유닛(18)의 커플링 위치(62)가 서로 접하게 되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린팅 장치(10).
  2. 제1항에 있어서, 재료(38)의 수용을 위해 단일 계량 공급 유닛(18)과 교대로 상호 작용하는 복수의 배출 유닛(14)들이 제공되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린팅 장치(10).
  3. 제2항에 있어서, 배출 유닛(14)들은 서로 분리된 다양한 압력 챔버 유닛(102)들에 할당되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린팅 장치(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 배출 유닛(14)을 계량 공급 유닛(18)으로 운반하기 위해 하나의 별도의 운반 시스템(86)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린팅 장치(10).
  5. 제4항에 있어서, 운반 시스템(86)은 배출 유닛(14)이 수용되는 가열 가능한 운반 캐리어(94)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린팅 장치(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 배출 유닛(14)은 프린팅 장치(10) 내에 교체 가능하게 배열되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린팅 장치(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 배출 유닛(14)은 배출 피스톤(78)을 포함하고, 이러한 배출 피스톤은, 재료(38)의 수용 시에 배출 유닛(14)의 충전 방향에 반대하는 힘(FF)이 제공 가능하게 하는 수단(82)과 상호 작용하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린팅 장치(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 배출 유닛(14)은 서보 모터에 의해 구동되는 배출 피스톤(78)을 포함하므로, 재료(38)는 프린팅을 위해 외부로 토출 가능한 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린팅 장치(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 계량 공급 유닛(18)은 계량 공급 유닛(18) 내의 재료(38)를 외부로 토출하기 위해, 유압 또는 전기 모터에 의해 구동되는 계량 공급 피스톤(46)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린팅 장치(10).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 프린팅 장치(10)의 작동 방법으로서,
    - 배출 유닛(14)을 계량 공급 유닛(18)으로 운반하는 단계(A),
    - 배출 유닛(14)을 계량 공급 유닛(18)과 연결하는 단계(B),
    - 프린팅될 재료(38)로 배출 유닛(14)을 충전하는 단계(C), 그리고
    - 프린팅될 영역으로 배출 유닛(14)을 운반하는 단계(D)를 포함하는, 프린팅 장치의 작동 방법.
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