KR20230152211A - 복합 구조체 제조장치 및 방법 - Google Patents

복합 구조체 제조장치 및 방법 Download PDF

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이흥수
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김동주
윤지해
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 크기 유사성 현상을 FDM 기반 적층 제조 공정에 적용하여 동시에 여러 소재가 다양한 단면 구조로 구현된 복합소재 출력물을 제조할 수 있는 복합 구조체 제조장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 구조체 제조장치는 복수의 소재가 미리 설정된 설계 단면의 단위 패턴으로 출력되도록 형성된 패턴용 필라멘트, 패턴용 필라멘트를 미리 설정된 적층 가능한 형상으로 형성된 출력용 필라멘트, 그리고 출력용 필라멘트가 주입되어 배출되는 노즐을 포함하며, 출력용 필라멘트가 노즐을 통해 해당되는 출력선으로 배출 적층되어 단위 패턴이 구현된 복합소재 출력물로 제조하는 프린터를 포함한다.

Description

복합 구조체 제조장치 및 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING OF COMPOSITE STRUCTURE AND THEREOF METHOD}
본 발명은 복합 구조체 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
3D 프린팅 기반 적층 제조 기법은 복잡한 형상을 제조하는데 강점을 가지나, 2종 이상의 물질이 혼합되어 내부에 의도된 패턴이 형성되는 복합재료 출력물 제조는 어려움이 있다. 열용융 적층 모델링(FDM ; fused deposition modeling) 기법은 출력물 소재의 필라멘트를 가열한 후 노즐을 통해 압출하여 적층하여 출력물을 제조한다. 이 기법을 이용하여 2종 이상의 소재로 구성되며 특정한 단면 패턴을 가진 복합 재료를 출력하기 위한 기술로, 각 소재들을 각각 독립된 필라멘트로 제조한 후 다중 노즐을 통해 번갈아가며 출력하거나, 다중 필라멘트를 하나의 노즐로 주입하여 출력하는 방법들이 제안되었다. 그러나 이러한 기존의 기법은 다수의 독립적인 필라멘트를 제조하여야 하고, 구현할 수 있는 단면 패턴이 한정적이며, 노즐 변경에 따른 출력물 단락에 의해 이종 소재 계면에 구조적 결함이 발생하는 등의 단점이 있다.
관련 선행문헌으로 한국등록특허 1,807,794는 "다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드 및 이를 포함하는 3차원 프린터"을 개시한다.
한국등록특허 1,807,794
본 발명의 일 실시예는 크기 유사성 현상을 FDM 기반 적층 제조 공정에 적용하여 동시에 여러 소재가 다양한 단면 구조로 구현된 복합소재 출력물을 제조할 수 있는 복합 구조체 제조장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합 구조체 제조장치는 복수의 소재가 미리 설정된 설계 단면의 단위 패턴으로 출력되도록 형성된 패턴용 필라멘트, 패턴용 필라멘트를 미리 설정된 적층 가능한 형상으로 형성된 출력용 필라멘트, 그리고 출력용 필라멘트가 주입되어 배출되는 노즐을 포함하며, 출력용 필라멘트가 노즐을 통해 해당되는 출력선으로 배출 적층되어 단위 패턴이 구현된 복합소재 출력물로 제조하는 프린터를 포함한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 구조체 제조방법은 복수의 소재가 미리 설정된 설계 단면의 단위 패턴으로 출력되도록 패턴용 필라멘트를 형성하는 패턴용 필라멘트 형성단계, 패턴용 필라멘트를 크기 유사성(scaling similarity)을 적용하여 미리 설정된 프린터의 노즐 출력에 의해 적층 가능한 형상으로 형성하는 출력용 필라멘트 형성단계, 출력용 필라멘트를 해당되는 출력선으로 배출하는 출력용 필라멘트 토출단계, 그리고 출력용 필라멘트의 출력선 배출 적층으로 단위 패턴이 구현된 복합소재 출력물을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예는 열용융 적층 모델 기반 적층 제조 기법에 크기 유사성 현상을 적용하여 다양한 단면의 단위 패턴 구조를 가지는 복합소재 출력물을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 필라멘트 예비 성형체의 표면에 추가 소재가 도포되는 형태를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 필라멘트 예비 성형체의 표면 일부에 추가 소재가 도포되는 형태를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 복합소재의 조합으로 단위 패턴을 갖는 출력용 필라멘트를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 복합소재의 다른 조합으로 단위 패턴을 갖는 출력용 필라멘트를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 복합소재의 조합으로 단위 패턴을 갖는 출력용 필라멘트를 이용하여 적층 방향 조절에 따른 복합소재 출력물의 출력 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 프린터의 노즐 구조에서 복수의 배출 통로를 통해 출력용 필라멘트와 추가 소재가 공급되어 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 프린터의 다른 노즐 구조에서 복수의 배출 통로를 통해 출력용 필라멘트와 추가 소재가 공급되어 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 도면들을 참조하여 복합 구조체 제조장치 및 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 필라멘트 예비 성형체의 표면에 추가 소재가 도포되는 형태를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이며, 도 2는 필라멘트 예비 성형체의 표면 일부에 추가 소재가 도포되는 형태를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다. 그리고 도 3은 복합소재의 조합으로 단위 패턴을 갖는 출력용 필라멘트를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이며, 도 4는 복합소재의 다른 조합으로 단위 패턴을 갖는 출력용 필라멘트를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다. 도 5는 복합소재의 조합으로 단위 패턴을 갖는 출력용 필라멘트를 이용하여 적층 방향 조절에 따른 복합소재 출력물의 출력 상태를 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 5를 참조하면, 복합 구조체 제조장치는 본 발명의 일 실시예는 패턴용 필라멘트(10), 출력용 필라멘트(20), 프린터를 포함하며, 패턴용 필라멘트(10)에 크기 유사성 현상을 적용한 출력용 필라멘트(20)를 형성하여 다양한 단면의 단위 패턴 구조를 가지는 복합소재 출력물을 제조할 수 있다.
패턴용 필라멘트(10)는 복수의 소재가 미리 설정된 설계 단면의 단위 패턴으로 출력되도록 형성될 수 있다. 단위 패턴은 복수의 소재가 조합되어 형성되는 패턴용 필라멘트(10)의 길이방향을 따라 수직한 방향으로 절단된 수평 단면에 형성되는 패턴을 말한다. 패턴용 필라멘트(10)는 봉 형상으로 형성되는 필라멘트 예비 성형체(10-1), 그리고 필라멘트 예비 성형체(10-1)에 적용되어 미리 설정된 단위 패턴을 형성하는 추가 소재(10-2)를 포함할 수 있다. 여기서, 추가 소재(10-2)는 서로 다른 물성치를 갖는 이종 소재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1과 도 2에서 필라멘트 예비 성형체(10-1)에 적용되는 추가 소재(10-2)는 필라멘트 예비 성형체(10-1)의 표면에 도포되는 소재를 포함할 수 있다. 패턴용 필라멘트(10)는 왁스, 열가소성 바인더 기반 세라믹, 금속 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
출력용 필라멘트(20)는 패턴용 필라멘트(10)를 미리 설정된 적층 가능한 형상으로 가공하여 프린터에 주입될 수 있는 크기로 형성될 수 있다. 여기서, 패턴용 필라멘트(10)가 프린터를 통해 적층 가능하도록 형성된 것을 출력용 필라멘트(20)라 칭한다. 패턴용 필라멘트(10)에 크기 유사성(scaling similarity)을 적용하여 출력용 필라멘트(20)로 형성될 수 있다. 패턴용 필라멘트(10)의 단위 패턴은 크기 유사성을 유지하면서 출력용 필라멘트(20)에도 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다. 출력용 필라멘트(20)는 패턴용 필라멘트(10)의 길이방향을 따라 단계적으로 늘려 프린터의 노즐(100)로 유입되는 단면적을 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 프린터는 열용융 적층 모델링(FDM ; fused deposition modeling) 프린터를 포함할 수 있다.
프린터는 출력용 필라멘트(20)가 주입되어 배출되는 노즐(100)을 포함하며, 출력용 필라멘트(20)가 노즐(100)을 통해 해당되는 출력선으로 배출 적층되어 단위 패턴이 구현된 복합소재 출력물로 제조할 수 있다. 출력용 필라멘트(20)의 지름과 FDM 프린터의 노즐(100) 지름 차이에 따라 단면적이 크게 축소되어 노즐(100)을 통해 출력되어 적층될 수 있다. 이때 복합소재 출력물의 단면 구조는 크기 유사성 현상에 의해 출력용 필라멘트(20)의 단면 구조와 매우 유사한 형상으로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 복수 소재의 조합으로 단위 패턴을 갖도록 형성되는 패턴용 필라멘트(10)와 패턴용 필라멘트(10)가 프린터의 노즐(100)을 통해 배출될 수 있도록 크기 유사성 현상을 적용하여 적절한 크기로 가공된 출력용 필라멘트(20)를 준비한다. 그리고 출력용 필라멘트(20)를 FDM 프린터 기반 적층 제조 기법에 크기 유사성 현상을 적용하여 다양한 단위 패턴이 단면 구조에 적용되는 복합소재 출력물을 제조할 수 있다.
도 6은 프린터의 노즐 구조에서 복수의 배출 통로를 통해 출력용 필라멘트와 추가 소재가 공급되어 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이며, 도 7은 프린터의 다른 노즐 구조에서 복수의 배출 통로를 통해 출력용 필라멘트와 추가 소재가 공급되어 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다. 도 6과 도 7을 참조하면, 노즐(100)은 몸체부(110), 그리고 배출 통로(120)를 포함할 수 있다.
몸체부(110)는 출력용 필라멘트가 유입되는 주입구(102)와 출력용 필라멘트가 배출되는 배출구(104)를 갖고 출력용 필라멘트를 일시 저장하는 기능을 한다. 여기서, 출력용 필라멘트는 도 4에 도시된 바와 같이 서로 다른 A 분말(14a), B 분말(14b)을 포함하여 형성된 출력용 필라멘트(24)를 적용할 수 있다.
배출 통로(120)는 몸체부(110)의 내부에 미리 설정된 형상으로 형성되며, 출력용 필라멘트가 배출구(104)를 통해 외부로 배출되어 적층되도록 안내하는 기능을 한다. 배출 통로(120)는 내부 공간이 격벽(112)으로 분리되어 복수의 배출 통로(120)로 구분될 수 있다. 복합소재 출력물의 단위 패턴을 구성하는 단위 단면 모양의 다양성을 위해, 원하는 단면 형상이 출력되도록 FDM 프린터의 노즐(100)을 설계 제작할 수 있다. 노즐(100) 설계에 있어서, 출력용 필라멘트가 장입되는 노즐(100)의 주입구(102) 주위에 추가로 공급되는 추가 소재(14C)를 공급할 수 있는 배출 통로(120)를 별도로 구비하여 추가 소재(14C)를 공급할 수 있다.
복수의 배출 통로(120)는 서로 다른 형상과 크기로 형성될 수 있다. 그리고 배출 통로(120)의 형상과 크기를 조절하여 다양한 형상의 출력구조를 구현함으로써 복합소재 출력물 단면의 단위 패턴 모양을 제어할 수 있다. 복수의 배출 통로(120)는 출력용 필라멘트(24)가 공급되어 배출되는 제1 통로(122), 그리고 제1 통로(122)와는 구분되며, 출력용 필라멘트(24)와는 별도로 준비되는 추가 소재(14C)가 공급되어 배출되는 제2 통로(124)를 포함할 수 있다. 제2 통로(124)는 필요에 따라 높이방향을 따라 미리 설정된 경사각도로 하향 경사진 형상을 갖고 형성될 수 있다.
여기서, 추가 소재(14C)는 분말, 액상 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 추가 소재(14C)는 왁스, 열가소성 바인더 기반 세라믹, 금속 분말, 세라믹 또는 금속 입자가 포함된 액상 슬러리 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 추가 소재(14C)는 중력 혹은 압출력에 의해 출력용 필라멘트의 표면과 결합하여 축소되며 노즐(100)로 방출되도록 설계될 수 있다. 이때 노즐(100)에 만들어진 배출 통로(120)의 형상과 크기를 조절하여 복합소재 출력물 단면의 단위 패턴 모양을 제어할 수 있다. 공급되는 추가 소재(14C)는 노즐(100) 내부에서 출력용 필라멘트에 흡착되는 동시에 노즐(100)과의 접촉면에서 마찰력을 최소화하여 원활하게 출력될 수 있도록 왁스 혹은 열가소성 바인더를 적절히 혼합할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 복합소재 출력물 제조에 사용되는 출력용 필라멘트(20)와 노즐(100) 형상을 복합소재 출력물의 단위 단면 구조와 유사하도록 제조하고 이를 이용하여 복합소재 출력물을 제조하여, 크기 유사성 현상에 따라 설계에 따른 복잡한 단면 구조가 구현된 복합소재 출력물을 제조할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예는 출력용 필라멘트(20)와 노즐(100) 구조를 통해 복잡한 단면 구조의 복합소재 출력물을 제조할 수 있다. 특히 부피 차이가 매우 큰 복수의 소재를 일정한 패턴으로 적층하여 다양한 단면 구조가 구현된 복합소재 출력물을 제조할 수 있으며, 제조된 복합소재 출력물을 열처리하여 무기 재료 복합소재를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조체 제조방법은 패턴용 필라멘트 형성단계, 출력용 필라멘트 형성단계, 출력용 필라멘트 토출단계, 그리고 복합소재 출력물 제조단계를 포함하며, 크기 유사성 현상을 FDM 프린터 기반 적층 제조 공정에 적용하여 동시에 여러 소재의 조합으로 형성된 단면 구조에 다양한 단위 패턴이 구현된 복합소재 출력물을 제조할 수 있다.
패턴용 필라멘트 형성단계는 복수의 소재가 미리 설정된 설계 단면의 단위 패턴으로 출력되도록 패턴용 필라멘트(10)를 형성하는 단계이다. 패턴용 필라멘트(10)는 다중 압출 또는 코팅 등의 공정을 통해, 설계된 단위 패턴의 단면 구조를 갖도록 제조할 수 있다. 즉, 패턴용 필라멘트(10)는 복수의 소재가 미리 설정된 설계 단면의 단위 패턴으로 출력되도록 형성될 수 있다.
출력용 필라멘트 형성단계는 패턴용 필라멘트(10)를 크기 유사성(scaling similarity)을 적용하여 미리 설정된 프린터의 노즐(100) 출력에 의해 적층 가능한 형상으로 형성하는 단계이다. 여기서, 프린터는 열용융 적층 모델링(FDM) 프린터를 포함할 수 있다.
출력용 필라멘트 토출단계는 출력용 필라멘트(20)를 해당되는 출력선으로 배출하는 단계이다. 출력용 필라멘트(20)는 패턴용 필라멘트(10)의 길이방향을 따라 단계적으로 늘려 FDM 프린터의 노즐(100)로 유입되는 단면적을 갖도록 형성될 수 있다.
복합소재 출력물 제조단계는 출력용 필라멘트(20)의 출력선 배출 적층으로 단위 패턴이 구현된 복합소재 출력물을 제조하는 단계이다. 출력선은 패턴용 필라멘트(10)의 단위 패턴을 가질 수 있다. 그리고 출력선의 적층 순서에 따라 패턴용 필라멘트(10)의 단위 패턴이 복합소재 출력물에 적용될 수 있다. 복합소재 출력물은 디-왁싱, 디-바인더 공정을 적용하여, 왁스나 유기 바인더 등 불필요한 구성 물질을 제거한 후 고온에서 열처리하여 최종 제품으로 형성될 수 있다.
이하에서는 복수의 소재 조합으로 형성되는 패턴용 필라멘트(10)의 단위 패턴과 유사한 모양의 단면을 가진 출력용 필라멘트(20), 그리고 출력용 필라멘트(20)를 이용하여 적층 제조된 복합소재 출력물의 여러 실시예를 설명한다.
실시예 1)
도 1은 필라멘트 예비 성형체의 표면에 추가 소재가 도포되는 형태를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 지르코니아 분말을 왁스 기반 바인더와 혼합하여 지름이 6mm인 필라멘트 예비 성형체(10-1)를 제조한다. 여기서, 필라멘트 예비 성형체(10-1)는 봉 형상으로 형성될 수 있다. 필라멘트 예비 성형체(10-1)의 표면에 추가 소재(10-2)를 도포하여 패턴용 필라멘트(10)를 형성한다. 여기서, 추가 소재(10-2)는 푸른색 잉크를 포함한다. 패턴용 필라멘트(10)는 크기 유사성(scaling similarity)을 적용하여 적절한 크기를 갖는 출력용 필라멘트(20)로 형성할 수 있다. 출력용 필라멘트(20)는 패턴용 필라멘트(10) 보다 지름이 짧고 높이 방향 길이가 더 긴 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 패턴용 필라멘트(10)의 크기가 미리 출력용 필라멘트(20)로 사용될 수 있는 적절한 크기로 형성되는 경우, 패턴용 필라멘트(10)를 별도로 가공하지 않고 출력용 필라멘트(20)로 사용할 수도 있다. 여기서, 출력용 필라멘트(20)의 크기는 노즐(100)의 주입구(102) 규격에 맞게 형성된 크기를 말한다. 출력용 필라멘트(20)와 FDM 프린터를 이용하여 복합소재 출력물을 제조한다. 도 1을 참조하면 복합소재 출력물의 표면 및 단면 구조를 확인할 수 있다. 단위 출력면이 패턴용 필라멘트(10)와 유사한 형상을 가지며, 연속 적층에 의해 내부에 그물망이 형성됨을 확인할 수 있다.
출력용 필라멘트(20)가 출력되는 노즐(100)이 하나인 3D 프린터를 이용하여 내부에 서로 다른 소재로 구성된 그물 구조를 구현할 수 있다. 이때 그물 구조의 그물 막(푸른색)과 내부 지르코니아(흰색)의 부피 비는 패턴용 필라멘트(10)에서 제조된 비율에 따라 결정되며 패턴용 필라멘트(10)의 형상을 조절하여 내부 그물 구조의 그물 막 두께를 조절할 수 있다.
실시예 2)
도 2는 필라멘트 예비 성형체의 표면 일부에 추가 소재가 도포되는 형태를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 지르코니아 분말을 왁스 기반 바인더와 혼합하여 지름이 6mm인 봉 형상의 필라멘트 예비 성형체(10a-1)를 제조한다. 필라멘트 예비 성형체(10a-1)의 표면 중 원주 길이를 따라 원주 길이의 약 1/8 지점에 해당되는 면에만 추가 소재(10a-2)를 도포하여 패턴용 필라멘트(10a)를 제조한다. 여기서, 추가 소재(10a-2)는 푸른색 잉크를 포함한다. 패턴용 필라멘트(10a)의 크기가 미리 출력용 필라멘트로 사용될 수 있는 적절한 크기로 형성된 것을 가정하면, 패턴용 필라멘트(10a)를 별도로 가공하지 않고 출력용 필라멘트로 사용할 수 있다. 출력용 필라멘트(20a)와 FDM 프린터를 이용하여 복합소재 출력물을 제조한다. 도 2를 참조하면, 복합소재 출력물의 표면 및 단면 구조를 확인할 수 있다. 단위 출력면이 패턴용 필라멘트(10a)와 유사한 형상을 가지며, 출력 방향 및 각도에 따라 다양한 적층면 형상을 형성할 수 있다.
출력용 필라멘트(20a)가 출력되는 노즐(100)이 하나인 FED 프린터를 이용하여 푸른색의 추가 소재(10a-2)가 판형으로 얇은 두께로 적층된 구조를 구현할 수 있다.
실시예 3)
도 3은 복합소재의 조합으로 단위 패턴을 갖는 출력용 필라멘트를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 각각 서로 다른 복수 소재를 왁스 기반 바인더와 혼합하여 서로 다른 종류의 복수 소재를 포함하는 패턴용 필라멘트(12)를 제조한다. 여기서, 복수 소재는 서로 다른 A 분말(12a), B 분말(12b), C 분말(12c)을 포함한다. 여기서, A 분말(12a)은 패턴용 필라멘트(12)의 전체 면적에 고루 분포되도록 혼합되며, B 분말(12b)과 C 분말(12c)은 도 3에 도시된 바와 같이 지름방향을 따라 번갈아가며 길게 분포되도록 혼합될 수 있다.
패턴용 필라멘트(12)를 크기 유사성(scaling similarity) 가공법을 적용하여 적절한 크기를 갖는 출력용 필라멘트(22)로 형성할 수 있다. 여기서, 크기 유사성 가공법을 적용한다는 것은 패턴용 필라멘트(12)를 종축 방향으로 인장하여 노즐(100)의 주입구(102) 규격에 맞도록 가공하는 것을 포함한다.
이때 복수 소재의 조합으로 단위 패턴을 갖도록 형성되는 패턴용 필라멘트(12)와 패턴용 필라멘트(12)가 FDM 프린터의 노즐(100)을 통해 배출될 수 있도록 적절한 크기로 가공된 출력용 필라멘트(22)의 단면을 구성하는 소재의 면적 비 및 형상 비는 서로 같게 형성될 수 있다.
출력용 필라멘트(22)와 FDM 프린터를 이용하여 복합소재 출력물을 제조한다. 복합소재 출력물의 단면은 출력용 필라멘트(22)의 미세 구조가 반복된 단위 패턴 형상을 가진다. 기존 단일 노즐의 FDM 프린터로 구현하기 어려운 다중 복합 소재의 출력물 제조가 가능하다.
실시예 4)
도 4는 복합소재의 다른 조합으로 단위 패턴을 갖는 출력용 필라멘트를 이용하여 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 각각 서로 다른 복수 소재를 왁스 기반 바인더와 혼합하여, 필라멘트 예비 성형체를 제조한 후 이들을 조립하여 다종의 복수 소재가 단위 패턴을 갖도록 형성되는 패턴용 필라멘트(14)를 제조한다. 여기서, 복수 소재는 서로 다른 A 분말(14a), B 분말(14b)을 포함한다. 여기서, A 분말(14a)은 패턴용 필라멘트(14)의 전체 면적에 고루 분포되도록 혼합되며, B 분말(14b)은 도 4에 도시된 바와 같이 중심에 길게 분포되도록 혼합될 수 있다.
패턴용 필라멘트(14)를 종축 방향으로 인장하여 노즐(100)의 주입구(102) 규격에 적합한 출력용 필라멘트(24)로 형성한다. 이때 패턴용 필라멘트(14)와 출력용 필라멘트(24)의 단면을 구성하는 소재의 면적 비 및 형상 비는 서로 같게 형성될 수 있다. 출력용 필라멘트(24)와 FDM 프린터를 이용하여 복합소재 출력물을 제조한다. 복합소재 출력물의 단면은 출력용 필라멘트(24)의 미세 구조가 반복된 단위 패턴 형상을 가진다. 복수 소재의 부피비가 매우 크고 단위 패턴의 두께가 얇아 기존 단일 노즐의 FDM 프린터로 구현하기 어려운 다중 복합 소재의 출력물 제조가 가능하다.
실시예 5)
도 5는 복합소재의 조합으로 단위 패턴을 갖는 출력용 필라멘트를 이용하여 적층 방향 조절에 따른 복합소재 출력물의 출력 상태를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 적층 설계에 따라 복합소재 출력물의 단면을 다양하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 소재의 조합으로 출력용 필라멘트(26)를 제조한 후 FDM 프린터를 이용하여 도 5에 도시된 바와 같이 적층 방향을 각각의 적층 레이어(layer)당 90도씩 회전되도록 적층할 수 있다. 출력용 필라멘트(26)를 해당되는 출력선으로 배출하여 출력용 필라멘트(26)를 토출하는 과정에서 출력선은 패턴용 필라멘트의 단위 패턴을 갖는다. 그리고 출력용 필라멘트(26)의 출력선 배출 적층으로 단위 패턴이 구현된 복합소재 출력물을 제조할 수 있다. 또한, 출력선의 적층 순서에 따라 패턴용 필라멘트의 단위 패턴이 복합소재 출력물에 그대로 적용되거나, 변형된 패턴으로 적용될 수 있다.
실시예 6)
도 6은 프린터의 노즐 구조에서 복수의 배출 통로를 통해 출력용 필라멘트와 추가 소재가 공급되어 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 실시예 4에서 제조된 출력용 필라멘트(24)가 출력되는 노즐(100)을 변경하여 이종 이상의 소재를 하나의 노즐로 출력할 수 있다. 즉, 서로 다른 A 분말(14a), B 분말(14b)을 포함하여 출력용 필라멘트(24)를 사전에 형성하고 출력용 필라멘트(24) 이외에 추가로 공급되는 추가 소재(14C)를 하나의 노즐을 통해 직접 공급되도록 설계하면 보다 다양한 단위 패턴을 가진 복합소재 출력물의 제조가 가능하다.
예를 들어, 노즐의 내측 중심부에서 길이방향을 따라 얇은 원통 구조의 격벽 통로를 형성하면, 하나의 노즐에 2개의 배출 통로(120)가 형성될 수 있다. 여기서, 2개의 배출 통로(120)는 출력용 필라멘트(24)가 공급되어 배출되는 제1 통로(122), 그리고 추가 소재(14C)가 공급되어 배출되는 제2 통로(124)를 포함할 수 있다. 노즐 내부에 형성되는 2개의 배출 통로(120)에 각각 출력용 필라멘트(24)와 추가 소재(14C)가 공급되도록 할 수 있다. 2개의 배출 통로(120)에 각각 공급된 출력용 필라멘트(24)와 추가 소재(14C)는 1개의 출구를 통해 최종 배출되므로 출력용 필라멘트(24)와 추가 소재(14C)의 조합으로 단위 패턴을 갖는 복합소재 출력물을 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 복합소재 출력물에서 그물 구조 중심에 추가 소재(14C) 선이 내재된 단면 구조를 보여 준다. 한편, 별도의 출력용 필라멘트(24)를 사전에 형성하는 것이 아니라, 각각의 소재를 복수의 배출 통로(120)가 구비된 하나의 노즐을 통해 직접 공급하여 보다 다양한 단위 패턴을 가진 복합소재 출력물을 제조할 수도 있다.
실시예 7)
도 7은 프린터의 다른 노즐 구조에서 복수의 배출 통로를 통해 출력용 필라멘트와 추가 소재가 공급되어 복합소재 출력물을 출력하는 상태를 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 실시예 4에서 제조된 출력용 필라멘트(24)가 출력되는 노즐을 변경하여 이종 이상의 소재를 하나의 노즐로 출력할 수 있다. 즉, 서로 다른 A 분말(14a), B 분말(14b)을 포함하여 출력용 필라멘트(24)를 사전에 형성하고 출력용 필라멘트(24) 이외에 추가로 공급되는 추가 소재(14C)를 하나의 노즐을 통해 직접 공급되도록 설계하면 보다 다양한 단위 패턴을 가진 복합소재 출력물의 제조가 가능하다.
예를 들어, 노즐의 내측에서 길이방향을 따라 일측에 미리 설정된 각도로 경사진 경사 격벽(112a)을 통해 경사진 보조 통로를 제2 통로(124a)로 형성하면, 출력용 필라멘트(24)가 공급되어 배출되는 제1 통로(122a)와 함께 하나의 노즐에 2개의 배출 통로(120a)가 형성될 수 있다. 노즐 내부에 형성되는 2개의 배출 통로(120a)에 각각 출력용 필라멘트(24)와 추가 소재(14C)가 공급되도록 할 수 있다. 2개의 배출 통로(120a)에 각각 공급된 출력용 필라멘트(24)와 추가 소재(14C)는 1개의 배출구(104)를 통해 최종 배출되므로 출력용 필라멘트(24)와 추가 소재(14C)의 조합으로 해당되는 단위 패턴을 갖는 복합소재 출력물을 형성할 수 있다. 도 7을 참조하면, 복합소재 출력물에서 적증 구조와 중심선 구조가 동시에 구현된 단면 구조를 보여 준다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 ; 패턴용 필라멘트 20 ; 출력용 필라멘트
100 ; 노즐 102 ; 주입구
104 ; 배출구 110 ; 몸체부
112 ; 격벽 120 ; 배출 통로
122 ; 제1 통로 124 ; 제2 통로

Claims (14)

  1. 복수의 소재가 미리 설정된 설계 단면의 단위 패턴으로 출력되도록 형성된 패턴용 필라멘트,
    상기 패턴용 필라멘트를 미리 설정된 적층 가능한 형상으로 형성된 출력용 필라멘트, 그리고
    상기 출력용 필라멘트가 주입되어 배출되는 노즐을 포함하며, 상기 출력용 필라멘트가 상기 노즐을 통해 해당되는 출력선으로 배출 적층되어 단위 패턴이 구현된 복합소재 출력물로 제조하는 프린터
    를 포함하는 복합 구조체 제조장치.
  2. 제1항에서,
    상기 패턴용 필라멘트는 크기 유사성(scaling similarity)을 적용하여 상기 출력용 필라멘트로 형성되는 복합 구조체 제조장치.
  3. 제2항에서,
    상기 패턴용 필라멘트는
    봉 형상으로 형성되는 필라멘트 예비 성형체, 그리고
    상기 필라멘트 예비 성형체에 적용되어 미리 설정된 단위 패턴을 형성하는 추가 소재
    를 포함하는 복합 구조체 제조장치.
  4. 제3항에서,
    상기 패턴용 필라멘트는 왁스, 열가소성 바인더 기반 세라믹, 금속 중 1종 이상을 포함하는 복합 구조체 제조장치.
  5. 제2항에서,
    상기 프린터는 열용융 적층 모델링(FDM) 프린터를 포함하는 복합 구조체 제조장치.
  6. 제2항에서,
    상기 출력용 필라멘트는 상기 패턴용 필라멘트의 길이방향을 따라 단계적으로 늘려 상기 프린터의 노즐로 유입되는 단면적을 갖도록 형성되는 복합 구조체 제조장치.
  7. 제6항에서,
    상기 노즐은
    상기 출력용 필라멘트가 유입되는 주입구와 상기 출력용 필라멘트가 배출되는 배출구를 갖고 상기 출력용 필라멘트를 일시 저장하는 몸체부, 그리고
    상기 몸체부의 내부에 미리 설정된 형상으로 형성되며, 상기 출력용 필라멘트가 상기 배출구를 통해 외부로 배출되어 적층되도록 안내하는 배출 통로를 포함하는 복합 구조체 제조장치.
  8. 제7항에서,
    상기 배출 통로는 내부 공간이 격벽으로 분리되어 복수의 배출 통로로 구분되는 복합 구조체 제조장치.
  9. 제8항에서,
    상기 복수의 배출 통로는
    상기 출력용 필라멘트가 공급되어 배출되는 제1 통로, 그리고
    상기 제1 통로와는 구분되며, 상기 출력용 필라멘트와는 별도로 준비되는 추가 소재가 공급되어 배출되는 제2 통로를 포함하는 복합 구조체 제조장치.
  10. 제9항에서,
    상기 제2 통로는 높이방향을 따라 미리 설정된 경사각도로 하향 경사진 형상을 갖고 형성되는 복합 구조체 제조장치.
  11. 제9항에서,
    상기 추가 소재는 왁스, 열가소성 바인더 기반 세라믹, 금속 분말, 세라믹 또는 금속 입자가 포함된 액상 슬러리 중 1종 이상을 포함하는 복합 구조체 제조장치.
  12. 복수의 소재가 미리 설정된 설계 단면의 단위 패턴으로 출력되도록 패턴용 필라멘트를 형성하는 패턴용 필라멘트 형성단계,
    상기 패턴용 필라멘트를 크기 유사성(scaling similarity)을 적용하여 미리 설정된 프린터의 노즐 출력에 의해 적층 가능한 형상으로 형성하는 출력용 필라멘트 형성단계,
    상기 출력용 필라멘트를 해당되는 출력선으로 배출하는 출력용 필라멘트 토출단계, 그리고
    상기 출력용 필라멘트의 출력선 배출 적층으로 단위 패턴이 구현된 복합소재 출력물을 제조하는 단계
    를 포함하는 복합 구조체 제조방법.
  13. 제12항에서,
    상기 프린터는 열용융 적층 모델링(FDM) 프린터를 포함하는 복합 구조체 제조방법.
  14. 제12항에서,
    상기 출력용 필라멘트는 상기 패턴용 필라멘트의 길이방향을 따라 단계적으로 늘려 상기 프린터의 노즐로 유입되는 단면적을 갖도록 형성되는 복합 구조체 제조방법.
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