KR20230004530A

KR20230004530A - 3d 프린팅용 펠릿 압출기

Info

Publication number: KR20230004530A
Application number: KR1020227036911A
Authority: KR
Inventors: 제이콥 얀 사우월트
Original assignee: 아드마텍 유럽 비.브이.
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2023-01-06
Also published as: EP4126505A1; US20230139210A1; WO2021191244A1; EP3885105A1; JP2023518869A; CN115605339A

Abstract

과립 및/또는 액체 공급 형태의 재료를 제공하기 위한 재료 공급 유닛(2), 재료를 과립 및/또는 액체 공급 형태로 수용하고 재료를 프린트 형태의 액화된 재료로 변환하도록 배열되는 재료 압출 유닛(3), 및 재료 압출 유닛(3)과 유체 연통하는 노즐 유닛(4)으로써 출력 채널(5) 및 액화된 재료를 출력하도록 배열된 노즐(6)을 포함하는 노즐 유닛(3)을 갖는 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드. 또한, 노즐 유닛(4)의 출력 채널(5)과 유체 연통하는 내부 체적 확대 유닛(7)이 제공되고, 여기서 내부 체적 확대 유닛(7)은 제1 작동 상태의 제1 내부 체적 및 제2 작동 상태의 제2 내부 체적을 가지며, 여기서 제2 내부 체적은 제1 내부 체적보다 더 크다.

Description

3D 프린팅용 펠릿 압출기

본 발명은 과립 및/또는 액체 공급 형태의 재료를 제공하기 위한 재료 공급 유닛, 과립 및/또는 액체 공급 형태의 재료를 수용하고 재료를 프린트 형태의 액화된 재료(즉, 온도 및/또는 압력에 의해 용융됨)로 변환하도록 배열된 재료 압출 유닛, 및 재료 압출 유닛과 유체 연통하는 노즐 유닛으로써, 액화된 재료를 출력하도록 배열된 노즐(또는 출력 개구) 및 출력 채널을 포함하는 노즐 유닛을 포함한다.

국제 특허 공개 WO2018/086792는 가변 점도를 갖는 공급원료를 위한 피드, 온도 제어 요소를 포함하는 용융 구역을 갖는 3D 프린터용 프린트 헤드를 개시하며 공급원료를 공급 구역으로부터 용융 구역으로 운반하기 위한 상기 공급원료의 액상을 위한 출구 개구부는 상기 공급 구역에 삽입될 수 있는 플런저를 포함한다.

중국 특허 공개 CN103692653B는 재료 용융 유닛, 액적 토출 유닛, 원통형 좌표계 형성 유닛 및 프레임을 포함하는 용융 차동 3차원 프린터를 개시한다. 재료 용융 유닛에서, 서보 모터는 나사를 구동하여 공급 포트를 통해 회전한다. 부어진 플라스틱 펠릿을 혼합 및 전단하고, 히터를 배럴에 고정하여 온도 조절을 통해 펠릿의 완전한 가소화를 보장하며, 용융된 재료를 나사에 의해 액적 토출 유닛으로 이송한다. 액적 토출 유닛에서, 용융된 재료는 선형 서보 모터에 의해 구동되는 러너 플레이트의 핫 러너를 따라 밸브 본체로 이송된다. 리니어 서보 모터는 밸브 니들을 구동하여 밸브 본체에서 왕복 운동하고 용융 재료는 노즐 밖으로 압출되어 용융 액적을 형성한다.

본 발명은 과립 형태 공급 재료, 예를 들어 기본 재료의 펠릿 또는 액체 형태 공급 재료, 예를 들어 용융 플라스틱의 압출을 기반으로 하는 물체의 3D 프린팅을 위한 개선된 프린트 헤드를 제공하고자 한다.

본 발명에 따르면, 상기 정의된 바와 같은 프린트 헤드 기반 압출기가 제공되며, 노즐 유닛의 출력 채널과 유체 연통하는 내부 체적 확대 유닛을 더 포함하고, 여기서 상기 내부 체적 확대 유닛은 내부에 제1 작동 상태의 제1 내부 체적 및 제2 작동 상태의 제2 내부 체적을 가지며, 여기서 제2 내부 체적은 제1 내부 체적보다 크고, 내부 체적 확대 유닛은 재료 압출 유닛 내의 팽창 체적, 및 압출 나사에 연결된 액추에이터를 포함하고, 액추에이터는 팽창 체적 내에서 액화된 재료를 수축(retract)시키기 위해 팽창 체적 내에서 압출 나사를 선형으로 이동시키도록 배열된다.

프린트 헤드에 존재하는 내부 체적을 확대함으로써, 액화된 재료의 모든 압력이 즉시 제거되어, 프린트 헤드가 드리핑(dripping)이나 스트링잉(stringing) 없이 새로운 프린트 위치로 이동될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세하게 논의될 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드의 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다중 노즐 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드를 위한 제어 장치의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 '오거 밸브' 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드의 단면도를 도시한다. 그리고
도 6a-b는 본 발명의 2개의 예시적인 실시예에 따른 재료 압출 유닛의 일부의 사시도를 도시한다.

플라스틱의 3D 프린팅에서, 당 업계에 알려진 가장 대중적인 기술은 융합 증착 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM)으로 더 일반적으로 알려진 와이어 압출이다. FDM에서, 단단한 플라스틱 필라멘트의 실은 3D 프린터 가열 챔버로 직접 공급되어, 플라스틱 필라멘트가 액화된 형태로 녹는다. 액화된 플라스틱 필라멘트는 노즐 유닛을 통해 압축되고, 단단한 플랫폼에 강제로 분사되어 다시 응고된다.

FDM에서, 원하는 물체는 일반적으로 레이어로 구성된다. 특정 형태의 물체를 프린트하기 위해서는, 노즐 유닛이 다른 위치로 이동해야 하므로, 프린팅이 중지될 수 있다. 일반적으로, 이동 과정에서, 압출 노즐에서 흘러나오는 플라스틱으로 인해 작은 플라스틱 스트링이 뒤에 남는다. 이것은 스트링잉으로 알려져 있으며, 완성된 물체에 원치 않는 플라스틱 스트링이 남을 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 추가 프린팅을 위한 다른 위치로 이동하기 전에, 플라스틱 필라멘트가 노즐 유닛으로 다시 들어간다. 이 기술은 일반적으로 수축(retraction)으로 알려져 있으며, 그 자체로 당업계에 알려져 있다.

펠릿 압출을 사용하여 3D 플라스틱 프린팅도 가능하다. 이 기술에서는, 플라스틱 필라멘트 실 대신, 과립이 가열 챔버로 직접 공급된다. 펠릿 압출의 장점은, 과립을 플라스틱 재료로 제한하지 않으며, 금속 또는 세라믹 복합 재료도 사용될 수 있다는 것이다. 또 다른 장점은, 플라스틱 과립이 플라스틱 필라멘트 실보다 훨씬 저렴하여 프린팅 비용을 절약할 수 있다는 것이다. 펠릿 압출의 단점은, 펠릿이 중력 공급되기 때문에 액화된 재료가 수축 메커니즘을 포함하지 않는다는 것이다. 이것은 노즐 유닛이 상당한 스트링잉 없이는 다른 위치로 이동할 수 없기 때문에 물체 프린팅의 범위를 심각하게 제한한다. 이러한 단점을 극복하기 위한 기술이 필요하다.

본 발명의 실시예는 펠릿 압출 기술을 사용하는 3D 프린팅 시스템에서 수축을 얻기 위한 솔루션을 제공한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드(1)의 단면도를 도시한다. 재료 공급 유닛(2)은 과립 및/또는 액체 공급 형태의 재료를 수용한다. 과립 및/또는 액체 공급 재료는 재료 공급 유닛(2)을 통과하여 재료 압출 유닛(3)으로 들어간다. 일단 액화되면, 재료는 노즐(6)과 유체 연결되는 출력 채널(5)을 갖는 노즐 유닛(4)으로 들어간다.

도 1에 도시된 실시예에서, 재료 압출 유닛(3)은 압축 챔버(31), 압출 나사(32) 및 하나 이상의 온도 제어 요소(33)를 포함한다. 재료 압출 유닛(3)은 압축 챔버(31) 내에서 과립 및/또는 액체 공급 재료를 압축하도록 배열된다. 온도 제어 요소(33)는 재료 압출 유닛(3)에 열을 제공하도록 배열되고, 압축 챔버(31)와 작동적으로 연관되어 작동한다. 온도 제어 요소(33)는 예를 들어 재료 압출 유닛(3)의 (또는 심지어 압출기 기반 프린트 헤드(1)의 추가 부분에서, 아래 참조) 다양한 위치에 있는 가열 및/또는 냉각 요소를 포함할 수 있다. 온도 제어 요소는 예를 들어 도 1의 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이 재료 압출 유닛(3)의 출력 측 근처에 고저항 와이어로서 구현되며, 전류가 와이어를 통과할 때 고온으로 가열된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 온도 제어 요소(33)는 외부 가열/냉각 유닛(미 도시)에 연결된 가열 또는 냉각 유체를 갖는 채널로서 구현된다.

온도 제어 요소(33)는 상이한 세그먼트 또는 구역, 예를 들어 재료 공급 유닛(2) 근처의 과립 입구에, 압축 챔버(31)의 중간에(전형적으로 냉각을 위해 배치됨) 및/또는 재료 압출 유닛(3)의 아래에, 압축 챔버(31) 아래에 및 노즐 유닛(4)의 유동 채널(5) 또는 노즐(6) 주위에 위치될 수 있다. 과립 공급 형태로 제공된 재료는, 압출 나사(32) 및 압축 챔버(31)에 의해 제공된 압축 및 내부 전단 및/또는 온도 제어 요소(33)에 의해 제공된 열에 의해, 재료 압출 유닛(3)에서 액화된 프린트 형태로 변형된다. 이하, '프린트 형태의 액화된 재료'라는 문구는 '액화된 재료'로도 지칭될 수 있다. 액화된 재료는 재료 압출 유닛(3)을 통과하여 노즐 유닛(4)으로 들어간다. 온도 제어 요소(33)의 다른 부분은 노즐(6)로 향하는 냉각 공기를 송풍하는 냉각 유닛으로서 배열될 수 있음을 주목하라.

재료 공급 유닛(2)으로부터 액체 공급 형태로 제공되는 재료, 온도 제어 요소(33)로부터의 열 및 압축 챔버(31)로부터의 압력을 수신하는 재료 압출 유닛(3)에 대해 주목해야 하며 압출 나사(32)로부터의 압력은 여전히 액체 공급 형태의 재료를 추가 가열/용융하기 위해 제공될 수 있으며, 예를 들어 점도 및/또는 온도를 변경할 수 있다. 이와 관련하여, 재료 압출 유닛(3)은 여전히 액체 공급 형태로 제공된 재료의 특성을 수정하고, 이를 3D 프린팅을 위한 프린트 형태의 액화(즉, 유동성) 재료로 변환하고, 프린트 형태의 액화된 재료를 노즐 유닛(4)으로 출력할 수 있다.

도 1의 실시예에 도시된 바와 같이, 노즐 유닛(4)은 액화(즉, 유동성) 재료(3D 출력 프린팅을 위한 프린트 형태)를 추가로 출력하도록 배열된 출력 채널(5) 및 노즐(6)을 포함한다. 압출기 기반 프린트 헤드(1)는 노즐 유닛(4) 및 출력 채널(5)과 유체 연통하는 내부 체적 확대 유닛(7)을 더 포함한다. 액화된 재료는 재료 압출 유닛(3)으로부터 출력 채널(5)로 들어가고, 출력 채널(5)을 통해 노즐(6)로 유동한다. 액화된 재료는 노즐(6)을 통해 분사된다. 이것은 액화된 재료의 지속적인 출력 유동과 함께 플랫폼에서 원하는 물체의 프린팅을 허용한다.

내부 체적 확대 유닛(7)은 노즐(6)과 유체 연통하는 플런저 채널(71) 및 액화된 재료를 수축시키기 위해 플런저 채널(71) 내에 이동 가능하게 배열된 플런저(72)를 포함한다. 추가 실시예에서, 플런저(72)는 출력 채널(5)을 차단하도록 배열된 밸브 장치(73)를 포함하고, 이어서 노즐(6)을 통한 액화된 재료의 출력 유동을 정지시킨다. 일 실시예에서, 밸브 장치(73)는 내부 체적 확대 유닛(7)의 하우징 내에서 상하로 이동하도록 배열되는 플런저(72)의 단부 부분이다. 대안적으로, 밸브 장치(73)는 플런저(72) 밖으로 빠져나갈 수 있고, 유사하게, 밸브 장치(73)는 플런저(72)에 다시 삽입될 수 있다.

도 1에 도시된 실시예에서, 내부 체적 확대 유닛(7)은 플런저(72)가 하부 위치(P1)에 있는 제1 작동 상태의 제1 내부 체적 및 플런저(72)가 중간 위치(P2)에 있는 제2 작동 상태의 제2 내부 체적을 갖는다. 제2 내부 체적은 제1 내부 체적보다 크다.

보다 일반적인 표현으로, 본 발명의 실시예는 과립 및/또는 액체 공급 형태의 재료를 제공하기 위한 재료 공급 유닛(2), 재료를 과립 및/또는 액체 공급 형태로 수용하고 재료를 프린트 형태의 액화된 재료(예: 온도 및 압력에 의해 용융됨)로 변환하도록 배열되는 재료 압출 유닛(3), 및 재료 압출 유닛(3)과 유체 연통하는 노즐 유닛(4)을 포함하는 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드에 관한 것이며, 노즐 유닛(3)은 출력 채널(5) 및 액화된 재료를 출력하도록 배열된 노즐(또는 출력 개구)(6)을 포함한다. 압출기 기반 프린트 헤드는 노즐 유닛(4)의 출력 채널(5)과 유체 연통하는 내부 체적 확대 유닛(7)을 더 포함하고, 여기서 내부 체적 확대 유닛(7)은 제1 작동 상태의 제1 내부 체적 및 제2 작동 상태의 제2 내부 체적을 가지며, 여기서 제2 내부 체적은 제1 내부 체적보다 더 크다. 노즐(6) 근처의 갑작스러운 국부 체적 생성은 출력 채널(5)에 존재하는 압력을 없애고 노즐(6)을 통한 용융 재료의 유동을 방지한다.

다른 예시적인 실시예에서, 플런저(72)는 초기에 더 낮은 위치(P1)에 있다. 밸브 장치(73)는 플런저(72)의 하단부로 구현되며, 이는 내부 체적 확대 유닛(7)의 하우징 내에서 상하 이동이 가능하다. 밸브 장치(73)의 단부가 (하부) 위치(P1)에 있으면, 출력 채널(5)을 차단하고 노즐(6)을 통한 액화된 재료의 출력 유동을 중지한다. 밸브 장치가 출력 채널(5)(중간 위치 P2) 바로 아래에 있을 때까지 플런저(72)가 플런저 채널(71) 내에서 하부 위치(P1)에서 위쪽 방향으로 이동하면, 효과적으로 내부 볼륨이 노즐(6)을 향해 출력 채널(5) 부분에 추가되어, 플런저 채널(71)로 다시 위쪽 방향으로 소량의 액화된 재료를 수축시킨다. 이것은 노즐(6)에 가까운 액화된 재료에 존재하는 모든 압력을 해제하며, 스트링잉을 효과적으로 방지한다. 밸브 장치(73)가 상부 위치(P3)에 있는 상태에서 플런저(72)가 더 위로 이동되면, 압출기 기반 프린트 헤드(1)는 작동 상태에 있게 되는데, 이는 액화된 재료가 출력 채널(5)을 통해 노즐(6)로 유동할 수 있기 때문이다.

플런저(72)가 위치 P1에서 밸브 장치(73)와 함께 이동된 다음 위치 P2로 이동되면, 압출기 기반 프린트 헤드(1)는 노즐(6) 밖으로 떨어지는(dripping) 액화된 재료 없이 다른 위치로 이동할 수 있다. 일단 위치에 있으면, 플런저(72)는 그런 다음 플런저 채널(71) 내에서 위쪽 방향으로 중간 위치(P2)에서 상부 위치(P3)로 이동할 수 있다. 이것은 노즐(6)을 통한 액화된 재료의 출력 유동을 위한 출력 채널(5)을 다시 열어, 제어된 방식으로 프린팅을 재개할 수 있게 한다.

다른 실시예에서, 플런저(72)의 밸브 장치(73)가 상부 위치(P3)(출력 채널(5) 개방)에 있을 때, 재료 압출 유닛(3)의 압출 나사(32)를 정지시킴으로써 출력 채널(5)을 통한 액화된 재료의 유동이 초기에 정지된다. 그런 다음 출력 채널(5)의 압력을 제거하고 액화된 재료가 노즐(6) 밖으로 떨어지는 것을 방지하기 위해, 밸브 장치(73)가 위치 P4에 있을 때까지 플런저(72)가 플런저 채널(71) 내로 더 수축된다. 이것은 노즐(6)로부터의 스트링잉을 방지하기에 충분한 내부 체적 확대를 생성한다.

도 1에 도시된 실시예에서, 재료 압출 유닛은 재료 압출 유닛(3)을 보호하도록 배열된 원통형 하우징(35)을 포함한다. 압축 유닛(3)에서 과립 재료의 압축은 압출 유닛(3)을 파괴할 수 있는 상당한 압력을 생성하며, 이는 원통형 구조로 인해 이 실시예에서 더 적다. 원통형 하우징(35)은 예를 들어 생성된 압력을 견딜 수 있는 재료로 만들어진다.

다른 대안적인 실시예에서, 밸브 장치(73)는 액화된 재료의 출력 유동을 제한하도록 배열된 작은 개구부를 포함할 수 있다. 작은 개구부는 예를 들어 특정 직경의 구멍을 포함할 수 있다. 밸브 장치(73)는, 작은 개구부가 출력 채널(5)을 향하여 액화된 재료의 출력 유동을 제한하거나 작은 개구부가 출력 채널(5)을 향하지 않아 액화된 재료의 출력 유동을 완전히 멈추도록, 밸브 장치(73)의 회전을 허용하도록 배열될 수 있다.

추가 실시예에서, 밸브 장치(73)는 또한 플런저(72)의 본체 내에 작은 중공 경로를 포함할 수 있으며, 이는 액화된 재료의 출력 유동을 제한하거나 중지하도록 배열된다. 작은 중공 경로의 양 끝에 있는 개구부는 플런저(72)의 측면과 플런저(72)의 단면 사이에 배열된다. 작은 중공 경로는 예를 들어 특정 직경을 갖는 'L'자형 중공 실린더를 포함할 수 있으며, 출력 채널(5)과 작동적으로 연관된다. 또한, 2개 이상의 경로가 서로 다른 내경으로 존재할 수 있으며, 각각의 개구부는 플런저(72)의 측면에 있다. 플런저(72)는 또한 플런저(72)의 측면에 있는 작은 중공 경로의 개구부 (들)(중 하나)가 출력 채널(5)을 향하여 액화된 재료의 출력 유동을 제한하거나 작은 개구부가 출력 채널(5)을 향하지 않아 액화된 재료의 출력 유동을 중지하도록 회전할 수 있다. 플런저의 끝에 있는 작은 중공 경로의 개구부는 도 1에 도시된 바와 같이 위치 P2와 P3 사이에 있고, 플런저(72)의 끝면은 위치 P1에 있다. 재료 추출은 플런저 장치(73)를 회전시켜 액화된 재료의 출력 유동을 중지하고 나머지 액화된 재료의 추출을 위해 플런저(72)를 위치 P2로 위쪽으로 이동시킴으로써 가능하다. 위치 P1을 향해 플런저를 아래쪽으로 이동시키고 액화된 재료의 출력 유동을 위해 플런저를 다시 회전시킴으로써 프린팅을 재개할 수 있게 한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드의 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 액화된 재료는 노즐(6)을 통해 분사되지만, 도 1을 참조하여 위에서 설명된 실시예들에서와 다른 국부 체적으로 수축한다.

도 2에 도시된 실시예에서, 내부 체적 확대 유닛(7)은 재료 압출 유닛(3) 자체 내의 팽창 체적(S1-S2), 및 출력 채널(5)을 향해 재료를 압축하기 위한 회전을 위해 압출 나사(32)에 연결된 액추에이터(34)를 포함한다. 내부 체적 확대 유닛(7) 및 재료 압출 유닛(3)은 또한 드리핑을 방지하기 위해 액화된 재료를 수축시키기 위해 배열된다. 액추에이터(34)는 팽창 체적(S1-S2) 내에서 압출 나사(32)를 선형으로 이동시키도록 배열된다. 압출 나사(32)의 단부가 위치 S2에 있는 압축 챔버(31)의 내부 체적은 위치 S1의 내부 체적보다 크다.

액화된 재료는 노즐(6)을 통해 분사된다. 액추에이터(34)를 사용하여 압출 나사(32)의 단면을 위치 S1에서 위치 S2로 이동함으로써 내부 체적을 확장하는 방향으로 압출 나사(32)를 선형으로 이동시킴으로써, 압출 나사(32)의 단부 아래에 존재하는 액화된 재료는 팽창 체적(S1-S2)으로 수축한다. 이것은 스트링잉을 효과적으로 방지한다.

도 2에 도시된 실시예에서, 압출기 기반 프린트 헤드(1)는 다른 프린트 위치로 이동할 수 있다. 액추에이터(34)를 사용하여 내부 체적을 다시 위치 S2에서 위치 S1으로 감소시키는 방향으로 압출 나사(32)를 선형으로 이동시키고 압출 나사(32)의 회전을 위해 작동시킴으로써, 액화된 재료가 압축되어 제어된 방식으로 원하는 물체의 프린팅이 재개하게 한다

도 2에 도시된 실시예에서, 액추에이터(34)는 또한 가역적 회전 방향으로 압출 나사(32)를 구동하도록 배열될 수 있다. 액추에이터(34)는 예를 들어 벨트 드라이브에 의해 또는 2차 나사산을 사용하여 구동될 수 있다. 가역적 회전 방향으로의 압출 나사(32)의 회전은 액화된 재료를 내부 체적 확대 유닛(7)으로 다시 수축시킨 다음 압축 챔버(31)의 내부 체적(도 2에 도시된 실시예에서 재료 공급 유닛(2)의 왼쪽)에 의해 형성된다. 이것은 스트링잉을 방지하고 압출기 기반 프린트 헤드(1)는 추가 프린팅을 위해 다른 위치로 이동할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다중 노즐 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드의 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 액화된 재료는 다중 노즐을 통해 분사되어 다중 노즐 유닛(4, 4')에서 액화된 재료의 수축을 허용한다. 따라서, 추가 실시예에서, 재료 압출 유닛(3)과 유체 연통하는 하나 이상의 2차 노즐 유닛(4')이 제공된다. 다중 노즐 유닛(4, 4')은 예를 들어 상이한 크기의 개구를 갖는 상이한 노즐(6, 6')을 포함할 수 있다. 더 큰 개구는 프린트된 물체의 빠른 조립을 위해 프린팅 속도를 향상시킨다. 개구가 작을수록 정밀하게 프린트된 물체를 제공하기 위한 정밀도가 향상된다.

도 3에 도시된 실시예에서, 2차 노즐 유닛(4')은 액화된 재료의 출력 유동을 위해 배열된 2차 출력 채널(5') 및 2차 노즐(6')을 포함한다. 하나 이상의 2차 노즐 유닛(6') 각각은 하나 이상의 2차 노즐 유닛(4'), 하나 이상의 2차 출력 채널(5') 및 재료 압출 유닛(3)과 유체 연통하는 하나 이상의 2차 내부 체적 확대 유닛(7')을 더 포함한다.

도 3에 도시된 실시예에서, 하나 이상의 2차 내부 체적 확대 유닛(7') 각각은 액화된 재료를 수축시키도록 배열된 2차 플런저 채널(71') 및 2차 플런저(72')를 포함한다. 2차 플런저(72')는 도 1을 참조하여 위에서 논의된 실시예의 밸브 장치(73)와 유사한 2차 밸브 장치(73')를 포함한다.

하나 이상의 2차 내부 확대 유닛(7')은 하나 이상의 2차 플런저가 하나 이상의 2차 하부 위치(P2')에 있는 제1 작동 상태 및 하나 이상의 2차 플런저(72')가 하나 이상의 2차 상부 위치 P3'에 있는 제2 작동 상태를 갖는다. 제2 내부 체적은 제1 내부 체적보다 크다.

도 3에 도시된 실시예에서, 하나 이상의 2차 노즐 유닛(4')에서 액화된 재료의 수축은 제1 실시예에서 설명된 노즐 유닛(4)에서 액화된 재료의 후퇴와 동일하다. 유사하게, 하나 이상의 2차 노즐 유닛(4')에서 출력 유동을 정지시키는 동작은 단일 노즐 유닛(4)을 갖는 제1 실시예 그룹에서 설명된 노즐 유닛(4)에서 출력 유동을 정지시키는 동작과 동일하다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드(1)를 위한 제어 장치의 개략도를 도시한다. 압출기 기반 프린트 헤드(1)를 위한 제어 장치는 액화된 재료의 출력 유동을 제어하도록 구성된 제어 유닛(8)을 포함한다. 제어 유닛(8)은 재료 압출 유닛(3), 내부 체적 확대 유닛(7), 및 노즐(6)에 연결된다. 제어 유닛은 재료 압출 유닛(3) 및 내부 체적 확대 유닛(7)과 관련된 하나 이상의 작동 파라미터로 노즐(6)을 제어한다.

일 실시예에서, 하나 이상의 작동 파라미터는 속도 및/또는 방향 제어 파라미터, 및/또는 재료 압출 유닛(3) 및/또는 노즐 유닛(4)의 가열/냉각 제어 파라미터를 포함한다. 제어 유닛(8)은 예를 들어 압축 챔버(31)에서 과립 재료의 압축 속도를 변경함으로써 재료 압출 유닛(3)의 속도 및 방향을 제어할 수 있고 과립 재료를 다시 펌핑함으로써 수축할 수 있다. 제어 유닛(8)은 예를 들어 온도 제어 요소(33)의 고저항 와이어를 통한 전류의 진폭을 변경함으로써 재료 압출 유닛(3)의 가열 기능을 제어할 수 있다.

추가 실시예에서, 하나 이상의 작동 파라미터는 제1 작동 상태와 제2 작동 상태 사이에서 내부 체적 확대 유닛(7)의 작동을 더 포함한다. 제어 유닛(8)은 예를 들어 밸브 장치(73) 및 플런저(72)를 제어하도록 배열된다. 이것은 제어 유닛(8)이 내부 체적 확대 유닛(7)이 제1 작동 상태에 있게 하여, 밸브 장치(73)를 플런저(72) 밖으로 빼내고 플런저(72)를 위쪽으로 이동시켜 액화된 재료를 추출함으로써 액화된 재료의 출력 유동을 정지시킨다. 제어 유닛(8)은 또한 밸브 장치(73)를 플런저(72)에 삽입하고 플런저(72)를 아래쪽으로 이동시켜 액화된 재료를 재압축함으로써 액화된 재료의 출력 유동을 다시 시작하는 제2 작동 상태에 있도록 내부 체적 확대 유닛(7)을 동등하게 가질 수 있다.

도 4에 도시된 실시예에서, 제어 유닛(8)은 재료 압출 유닛(3), 하나 이상의 2차 내부 체적 확대 유닛(7') 및 하나 이상의 2차 노즐(6')에도 연결되는 다중 노즐 제어 유닛으로 구현된다. 이것은 도 3을 참조하여 위에서 논의된 바와 같이 제어 유닛(8)이 하나 이상의 2차 노즐(6')로부터의 액화된 재료의 출력 유동을 제어하는 것을 허용한다. 또한, 제어 유닛(8)은 노즐 유닛(6)로부터 액화된 재료의 출력 유동을 중지하고, 액화된 재료의 출력 유동을 하나 이상의 2차 노즐 유닛(6') 중 하나로 전환한다.

추가의 예시적인 실시예에서, 다중 노즐 제어 유닛(8)은 재료 압출 유닛(3) 및 내부 체적 확대 유닛(7)에 연결된다. 다중 노즐 제어 유닛(8)은 노즐을 전환할 때 유동을 멈추기 위해 내부 체적 확대 유닛(7)을 작동시킴으로써 노즐 유닛(4)과 하나 이상의 2차 노즐 유닛(4') 중 하나 사이를 전환하도록 배열된다. [청구항 13] 내부 체적 확대 유닛(7)은 하나 이상의 2차 노즐 유닛(4')과 유체 연통할 수 있거나, 대안적으로 하나 이상의 2차 노즐 유닛(4') 각각에는 2차 내부 체적 확대 유닛(7)이 제공된다. 그 실시예에서, 모든 2차 내부 체적 확대 유닛(7')은 또한 도 4에 도시된 바와 같이 다중 노즐 제어 유닛(8)에 연결된다.

도 5는 본 발명의 '오거 밸브' 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드(1)의 단면도를 도시한다. 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서와 동일한 기능을 갖는 요소는 동일한 참조 번호로 표시된다. 도 5에 도시된 오거 밸브 실시예에서, 재료 공급 유닛(2)은 예를 들어 공급 호스를 통해, 예를 들어 액체 공급 형태의 주사기 배럴(syringe barrel) 유지 재료를 포함하는 주사기 어댑터 어셈블리에 연결될 수 있다. 주사기 배럴은 예를 들어 재료 공급 유닛(2)에 재료를 제공하기 위해 영구적으로 가압될 수 있다. 그 후 재료는 재료 압출 유닛(3) 및 노즐 유닛(4)에 의해 수용될 수 있고, 본 명세서에 설명된 바와 같이 노즐(6)을 통해 분사될 수 있다. 일반적으로, 오거 밸브 실시예는 또한 예를 들어 액체 공급 형태로 제공된 재료의 정확한 투여, 및 3D 프린팅을 위한 프린트 형태의 액화된 재료의 고정밀 분사를 허용할 수 있다.

여기에 설명된 도 2의 실시예와 유사하게, 오거 밸브 실시예(도 5에 도시됨)에서, 팽창 체적(S1-S2)은 재료 팽창 유닛(3) 내에 제공되며, 이에 의해 액추에이터(34)는 회전을 위해 압출 나사(32)에 연결되어 출력 채널(5)을 향해 재료를 압축하고, 팽창 체적(S1-S2) 내에서 압출 나사(32)를 선형으로 이동시켜 액화된 재료를 수축시키며, 이에 따라 스트링잉을 방지한다. 더욱이, 액추에이터(34)는 또한 본 명세서에 설명된 바와 같이 가역적인 회전 방향으로 압출 나사(32)를 구동하도록 배열될 수 있다.

액추에이터(34)의 작동 동안, 압출 나사(32)는 먼저 가역적 회전 방향으로 구동된 다음, 동시에 팽창 체적(S1-S2) 내에서 선형으로 수축하거나, 그 반대로 구동되어 스트링잉을 방지할 수 있음을 유의한다.

또한, 도 5에 도시되고 도 6a의 사시도에 도시된 유리한 실시예에서, 재료 압출 유닛(3)은 슬리브(37)를 포함할 수 있고, 여기서 슬리브(37)는 재료 공급 유닛(2)으로부터 재료를 수용하도록 배열될 수 있다.

도 5 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 압축 챔버(31) 및 압출 나사(32)는 슬리브(37) 내에 제공될 수 있고, 여기서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 슬리브(37)는 깔때기 형상 본체를 포함할 수 있다. 이러한 관점에서, 재료 공급 유닛(2)에 액체 공급 형태로 제공되는 재료에 대해, 슬리브(37)의 깔때기형 본체는 노즐 유닛(6)으로의 액화된 재료의 더 나은 출력을 허용할 수 있고 또한 팽창 체적(S1-S2)의 액화된 재료의 더 나은 수축을 허용할 수 있다.

도 5에 도시되고 또한 도 6b에 사시도로 도시된 추가의 유리한 실시예에서, 재료 압출 유닛(3)은 압출 나사(32)의 일부에 연결된 밀봉 요소(38)를 포함할 수 있다. 밀봉 요소(38)는 압출 나사(32)의 상부, 예를 들어 압출 나사(32)의 나사산 위(도 6b에 도시된 바와 같음)에 연결된다.

밀봉 요소(38)는 재료 압출 유닛(3)의 (상부) 부분을 밀봉하도록 배열된다. 또한, 팽창 체적(S1-S2) 내에서 압출 나사(32)의 선형 이동 동안, 밀봉 요소(38)는 재료 압출 유닛(3)의 액화된 재료에 대해 가압/압축하도록 더 배열되어, 노즐 유닛(4)의 출력 채널(5)을 통한 액화된 재료의 개선된 출력을 허용하고, 예를 들어 밀봉 요소(38)의 측면 주위로 액화된 재료가 누출되지 않는다.

이러한 관점에서, 밀봉 요소(38)는 재료 압출 유닛(3)의 단면 평면과 유사한 형상을 포함할 수 있다. 비 제한적인 예를 들어 설명하자면, 재료 압출 유닛(3)이 원통형 본체를 포함하는 경우, 밀봉 요소(38)는 원통형 본체의 단면과 유사한 디스크 형상 요소를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 위에서 정의된 바와 같이, 3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드가 제공되며, 과립 형태의 재료를 제공하기 위한 재료 공급 유닛, 과립 형태의 재료를 수용하도록 배열되고 재료를 액화된 재료로 변환하는 재료 압출 유닛, 및 재료 압출 유닛과 유체 연통하는 노즐 유닛을 포함하고, 노즐 유닛은 출력 채널 및 액화된 재료를 출력하도록 배열된 노즐을 포함한다. 또한, 내부 체적 확대 유닛은 노즐 유닛의 출력 채널과 유체 연통하도록 제공되며, 내부 체적 확대 유닛은 제1 작동 상태의 제1 내부 체적 및 제2 작동 상태의 제2 내부 체적을 갖고, 제2 내부 체적은 제1 내부 체적보다 크다.

본 발명은 도면에 도시된 바와 같은 다수의 예시적인 실시예를 참조하여 위에서 설명되었다. 일부 부품 또는 요소의 수정 및 대체 구현이 가능하며, 첨부된 청구범위에 정의된 보호 범위에 포함된다.

Claims

3D 프린팅을 위한 압출기 기반 프린트 헤드로써,
과립 및/또는 액체 공급 형태의 재료를 제공하기 위한 재료 공급 유닛(2),
상기 재료를 과립 및/또는 액체 공급 형태로 수용하고 상기 재료를 프린트 형태의 액화된 재료로 변환하도록 배열되는 재료 압출 유닛(3), 및
상기 재료 압출 유닛(3)과 유체 연통하는 노즐 유닛(4)으로써, 출력 채널(5) 및 상기 액화된 재료를 출력하도록 배열된 노즐(6)을 포함하는 노즐 유닛(4),
을 포함하고,
상기 노즐 유닛(4)의 출력 채널(5)과 유체 연통하는 내부 체적 확대 유닛(7)을 더 포함하고,
상기 내부 체적 확대 유닛(7)은 제1 작동 상태의 제1 내부 체적 및 제2 작동 상태의 제2 내부 체적을 가지며, 상기 제2 내부 체적은 상기 제1 내부 체적보다 더 크고,
상기 내부 체적 확대 유닛(7)은 상기 재료 압출 유닛(3) 내에서의 팽창 체적(S1-S2), 및 압출 나사(32)에 연결된 액추에이터(34)를 포함하고, 상기 액추에이터(34)는 상기 팽창 체적(S1-S2) 내로 상기 액화된 재료를 수축(retract)시키기 위해 상기 팽창 체적(S1-S2) 내에서 상기 압출 나사를 선형으로 이동시키도록 배열되는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제1항에 있어서,
상기 재료 압출 유닛(3)은 압축 챔버(31) 및 상기 압축 챔버(31) 내에서 상기 재료를 압축하도록 배열된 상기 압출 나사(32)를 포함하는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 재료 압출 유닛(3)은 상기 압축 챔버(31)와 작동적으로 연관된 온도 제어 요소(33)를 포함하는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 체적 확대 유닛(7)은 상기 노즐(6)과 유체 연통하는 플런저 채널(71) 및 상기 플런저 채널(71) 내에서 이동 가능하게 배열된 플런저(72)를 포함하는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제4항에 있어서,
상기 플런저(72)는 상기 출력 채널(5)을 차단하도록 배열된 밸브 장치(73)를 더 포함하는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 체적 확대 유닛(7)은 상기 재료 압출 유닛(3)의 일부 및 압출 나사(32)에 연결된 액추에이터(34)이며, 액추에이터(34)는 가역적 회전 방향으로 압출 나사(32)를 구동하도록 배열되는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 재료 압출 유닛(3)은 슬리브(37)를 더 포함하는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 재료 압출 유닛(3)은 원통형 하우징(35)을 포함하는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 재료 압출 유닛(3) 및 상기 내부 체적 확대 유닛(7)에 연결된 제어 유닛(8)을 더 포함하고, 상기 제어 유닛(8)은 상기 재료 압출 유닛(3) 및 상기 내부 체적 확대 유닛(7)과 관련된 하나 이상의 작동 파라미터를 제어함으로써 상기 노즐(6)로부터 액화된 재료의 출력 유동을 제어하도록 배열되는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제9항에 있어서,
상기 하나 이상의 작동 파라미터는 속도 및/또는 방향 제어 파라미터, 및/또는 상기 재료 압출 유닛(3) 및/또는 상기 노즐 유닛(4)의 가열/냉각 제어 파라미터를 포함하는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 하나 이상의 작동 파라미터는 상기 제1 작동 상태 및 상기 제2 작동 상태 사이에서 상기 내부 체적 확대 유닛(7)의 작동을 포함하는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 재료 압출 유닛(3)과 유체 연통하는 하나 이상의 2차 노즐 유닛(4’)을 더 포함하는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제12항에 있어서,
상기 재료 압출 유닛(3) 및 상기 내부 체적 확대 유닛(7)에 연결된 다중 노즐 제어 유닛(8)을 더 포함하고, 상기 다중 노즐 제어 유닛(8)은 상기 내부 체적 확대 유닛(7)을 작동시킴으로써 상기 노즐 유닛(4)과 상기 하나 이상의 2차 노즐 유닛(4') 중 하나 사이를 전환하도록 배열되는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 내부 체적 확대 유닛(7)은 상기 하나 이상의 2차 노즐 유닛(4’)과 유체 연통하는, 압출기 기반 프린트 헤드.
제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 하나 이상의 2차 노즐 유닛(4’)은 2차 내부 체적 확대 유닛(7’)이 제공되는, 압출기 기반 프린트 헤드.