KR20230037284A

KR20230037284A - 3d 프린터의 익스트루더

Info

Publication number: KR20230037284A
Application number: KR1020210120431A
Authority: KR
Inventors: 최문수
Original assignee: 주식회사 쓰리디코리아
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2023-03-16

Abstract

본 발명은 열가소성 재료를 용융 적층 하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터에서 토출량의 변화를 최소화하여 소형제품 출력시 정밀성을 보장받을 수 있는 3D 프린터의 익스트루더(Extruder)에 관한 것으로,
용융 필라멘트(40)가 토출 되는 노즐(10)과 히터(20)가 나사 결합고정되며, 상기 히터(20)의 상측에는 필라멘트(40)가 지나가는 히트 싱크(30)가 나사 결합 고정되되, 상승하는 열이 히트 싱크(30) 방향으로 전도되는 것을 차단할 수 있도록 사선 방향으로 결합 고정되도록 한 것이다.

Description

3D 프린터의 익스트루더{3D printer extruder}

본 발명은 3D 프린터의 익스터루더에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 열가소성 재료를 용융 적층 하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터에서 토출량의 변화를 최소화하여 소형제품 출력시 정밀성을 보장받을 수 있는 3D 프린터의 익스트루더(Extruder)에 관한 것이다.

일반적으로 3차원 입체 형상을 가진 시제품을 제작하기 위해서는 도면에 의존하여 수작업에 의해 이루어지는 목재 모형 제작 방식과 CNC 공작 기계에 의한 제작 방법 등이 알려 있으며, 목재를 이용한 모형 제작 방식은 수작업에 의존하기 때문에 정교한 수치제어가 어렵고 많은 시간이 소요되는 단점이 있고 CNC 공작 기계에 의한 제작 방법은 정교한 수치제어가 가능하지만 내부 공간을 구비하는 입체형 제품은 공구가 진입을 할 수 없기 때문에 제작(가공) 자체가 불가능하였다.

최근에는 이러한 문제점을 개선하여 제품의 디자이너 및 설계자가 CAD나 CAM을 이용하여 3차원 모델링 데이터를 생성하고, 생성한 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방법이 등장하게 되었으며, 이러한 3D 프린터를 산업, 생활, 의학 등 다양한 분야에서 활용되는 등 급성장하고 있다.

상기 3D 프린터는 3차원 형상의 물체를 성형하는 장치로서 입체 재료에 레이저 광선을 주사하여 원하는 형태로 물체를 성형하는 광주사 방식 3D 프린터, 입체 재료를 절삭하여 물체를 성형하는 절삭 방식 3D 프린터, 선(thread) 형태의 합성수지 필라멘트와 같은 열가소성 재료를 용융시켜 원하는 형태로 적층 하는 용융 방식(Fused Deposition Modeling(FDM) 또는 Fused Filament Fabrication(FFF)) 3D 프린터 등이 있다.

특히, 용융 방식(FDM) 3D 프린터는 설비비 및 물체의 성형 비용이 상대적으로 저렴하므로, 제품을 상업적으로 대량 생산하는 기업뿐 아니라, 취미, 연구 또는 개인용으로 소량의 제품을 제조하는 학교, 가정, 연구실 등으로도 널리 보급 및 그 응용범위가 확대되어가고 있는 추세에 있으며, 익스트루더(Extruder)에서 열가소성 재료를 용융 토출하여 입체적인 구조물을 출력하는 것이다.

상기 용융 방식 3D 프린터에서 물체의 성형 원료로 사용되는 필라멘트는 폴리 유산(poly lactic acid, PLA) 수지 등의 열가소성 수지로 이루어지며, 원료 공급 및 용융의 편의성을 위하여 수 내지 수십 미터(meter) 길이의 선(thread)의 형태로 제조되어 운반, 보관 및 사용에 용이하도록 나선 또는 권취 된 코일 형태로 공급된다.

이러한 3D 프린터용 필라멘트는 합성수지 칩(chip)을 용융시킨 후, 평균 직경은 1.75±005mm로 관리되어 스트랜드(strand) 형태로 압출 제조되는바, 익스트루더(Extruder)에서 필라멘트를 토출 재료로 이용하면 재료의 균일한 공급 및 토출, 그리고 리트랙션(retraction : 익스트루더의 스크루를 역회전시켜 재료를 노즐로부터 회수하는 것)이 가능하다.

따라서, 필라멘트를 용융 토출 재료로 익스트루더에서 사용하면 다양한 형태의 제품을 출력할 수 있어 여러 분야에서 그 활용 폭이 확대되고 있음은 물론, 비교적 크기가 큰 제품을 출력할 때 매우 적합하다는 장점이 있는 반면, 치아보다 작은 크기의 제품과 같은 어느 정도의 정밀도를 요구하는 제품에 대해서는 출력이 되더라도 완성도가 하락하여 고품질의 제품이라 칭할 수가 없고, 나아가 납품 자체를 할 수 없는 단점이 있었다.

이렇듯 정밀도를 요구하는 작은 제품을 출력함에 있어 문제점으로 대두 되었던 종래의 익스트루더는 도 1에서 도시된 바와 같이 노즐(10)과 히터(20) 및 히트 싱크(30)가 수직방향으로 직선 결합된 구조로 이루어져 있다.

이러한 구조는 필라멘트(40)를 용융시키는 히터(20)에서 열을 발산할 경우 열이 수직방향으로 상승하면서 그대로 히트 싱크(30)에 전달되어 히트 싱크(20)가 과열 상태가 되고, 이 순간 히트 싱크(20) 내부를 지나가는 필라멘트는 그 열에 의해 변형이 됨으로써 일정한 토출이 어려워지게 되는 것이다.

용융 필라멘트가 일정한 토출이 어려워지더라도 큰 제품을 출력하는데 큰 문제점이 없으나 치아와 같은 작은 크기의 제품을 출력할 때는 정밀도가 하락하여 납품할 수 있는 수준의 제품으로 볼 수 없었는바, 결국 정밀성을 요구하는 고품질의 제품을 출력할 수 없다는 문제점이 발생한 것이다.

1. 특허등록 제10-1451794호(발명의 명칭 : 복합 3D 프린터 및 그 제어방법) 2. 특허등록 제10-1665531호(발명의 명칭 : 3D프린터용 익스트루더 및 이를 포함하는 3D프린터)

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 일소키 위해 안출한 것으로 크기가 작은 제품을 3D 프린터에서 출력을 할 때 정밀도를 향상시켜 다양한 생활 및 산업분야에서 활용할 수 있도록 하는 3D 프린터의 익스트루더를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 3D 프린터의 익스트루더(S)는 용융 필라멘트(40)가 토출 되는 노즐(10)과 히터(20)가 나사 결합고정되며, 상기 히터(20)의 상측에는 필라멘트(40)가 지나가는 히트 싱크(30)가 나사 결합 고정되되, 상승하는 열이 히트 싱크(30) 방향으로 전도되는 것을 차단할 수 있도록 사선 방향으로 결합 고정되도록 한 것을 특징으로 한다.

이때 상기 히터(20)의 측면에 나사 결합 되는 히트 싱크(30)는 노즐(10)을 중심으로 5 내지 50 각도로 결합 고정되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본원 발명의 3D 프린터의 익스트루더는 필라멘트 융착시 히터로부터 발생하는 방사열의 상승방향에서 벗어난 위치로 히트 싱크가 결합고정되기 때문에 열의 전도를 예방할 수 있으며, 그로 인해 작은 크기의 제품을 정밀하게 출력할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 3D 프린터장치에 탑재된 익스트루더를 도시한 정면도
도 2는 도 1의 익스트루더 중 요부를 발췌한 단면 구성도
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시 예를 보인 분해사시도
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시 예를 보인 정면도
도 5는 도3 의 익스트루더 중 요부를 발췌한 단면 구성도

이하, 첨부된 도면 및 바람직한 실시 예에 따라 본 발명에서 제공하는 3D 프린터의 익스트루더(S)에 대해 설명한다.

먼저, 본 발명에서 제공하는 3D 프린터의 익스트루더(S)는 도 3 내지 5에서 도시된 바와 같이 용융 필라멘트(40)가 토출 되는 노즐(10)과 히터(20)가 나사 결합고정된다.

또한, 상기 히터(20)의 상측에는 필라멘트(40)가 지나가는 히트 싱크(30)가 나사 결합 고정되되, 상승하는 열이 히트 싱크(30) 방향으로 전도되는 것을 차단할 수 있도록 사선 방향으로 결합 고정된다.

이때 상기 히터(20)의 측면에 나사 결합 되는 히트 싱크(30)는 노즐(10)을 중심으로 5 내지 50 각도로 결합 고정된다.

상기와 같은 특징을 갖는 본원 발명의 3D 프린터의 익스트루더(S)는 도 4 내지 5에서 도시된 바와 같이 히트 싱크(30)가 노즐(10)을 중심으로 사선 방향으로 결합고정되어 히터(20)에서 발생하는 열의 전도를 최소화할 수 있게 되는 것이다.

기존에는 도 1 내지 2에서 도시된 바와 같이 히트(20)를 가열하면 가열된 열이 수직 방향에 결합 된 히트 싱크(30)에 그대로 전도되어 히트 싱크의 내부로 지나가는 필라멘트가 전도 열에 의해 토출량이 굵어졌다가 가늘어지는 현상이 반복되어 일정한 토출 양을 제공받을 수 없었으며, 이는 곧 치아와 같은 작은 크기의 제품을 출력하는 과정에서 제품 불량으로 연결되었던 것이다.

그러나 본원 발명의 도 3 내지 5에서 도시된 바와 같이 히트 싱크(30)를 노즐(10) 기준으로 사선 방향으로 결합시키면 상승하는 전도열과 겹치지 않게 됨으로써 밀어주는 필라멘트의 압력이 그대로 유지되면서 강제 압출이 용이하게 되고, 이는 곧 일정 압력을 유지할 수 있어 토출 양의 변화가 없게 되는 것이다.

이에 따라 치아는 물론, 그보다 작은 제품인 경우에도 안정적인 토출 양에 의해 정밀한 3D 출력이 용이하게 되는 것이고, 나아가 고품질의 제품을 얻을 수 있게 되는 것이다.

도면의 미설명 부호 50은 바디(미도시)에 결합 되는 노즐 마운트이다.

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: 3D 프린터용 익스트루더
10: 노즐 20: 히터
30: 히트 싱크 40: 필라멘트
50: 노즐 마운트

Claims

용융 필라멘트(40)가 토출 되는 노즐(10)과 히터(20)가 나사 결합고정되며, 상기 히터(20)의 상측에는 필라멘트(40)가 지나가는 히트 싱크(30)가 나사 결합 고정되되, 상승하는 열이 히트 싱크(30) 방향으로 전도되는 것을 차단할 수 있도록 사선 방향으로 결합 고정되도록 한 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 익스트루더.
제1항에 있어서,
상기 히터(20)의 측면에 나사 결합 되는 히트 싱크(30)는 노즐(10)을 중심으로 5 내지 50각도로 결합 고정되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 익스트루더.