KR20240045784A - 3d 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 3D 프린터의 프린팅 헤드의 온도를 최적의 상태로 유지할 수 있으며, 열 축적으로 인한 프린트 불량을 방지할 수 있는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치는 길이방향을 따라 길게 형성되어 내측에 중공형의 공급관으로 유입된 필라멘트의 공급 흐름을 안내하는 필라멘트 공급부, 공급관을 둘러싸는 형상으로 구비되어 필라멘트를 가열시켜 용융시키는 가열부, 가열부의 하단에 구비되어 가열부로부터 용융된 필라멘트를 외부로 배출하는 노즐부, 가열부의 상측에서 공급관을 둘러싸는 형상으로 구비되어 가열부로 공급되는 필라멘트의 온도를 냉각시키도록 내부에 냉매 유로가 구비되는 냉각부, 냉각부와 가열부의 온도를 검출하는 온도 검출부, 그리고 온도 검출부로부터 검출된 온도에 따라 냉각부로 공급되는 냉매의 유량 조절에 해당되는 제어신호를 발생하는 제어부를 포함한다.

Description

3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치 및 방법{HEATING BLOCK COOLING CONTROL SYSTEM OF 3D PRINTER AND THEREOF METHOD}
본 발명은 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
열용융 적층 모델링(FDM ; fused deposition modeling) 방식의 3D 프린터는 열가소성 고분자 재료를 가열해 연화시킨 뒤 CNC로 정확한 위치에 정확한 양만큼 압출하는 방법을 적용한다. 현재 사용되는 FDM 프린터의 프린팅 헤드(printing head) 부위에서 히팅 블록(heating block)은 필라멘트가 가열되는 부분이다. 필라멘트가 유동 상태로 대기중인 부분은 멜트 존(melt zone)이라 한다. 히팅 블록에는 필라멘트 가열을 위한 히터와 현재 온도를 측정하기 위한 써미스터가 구비된다. 필라멘트는 고체 상태로 공급되며, 멜트 존에서는 녹는점 수준의 온도로 대기하여야 한다. 멜트 존 바깥이 과열되는 것을 방지하기 위해 히팅 블록 위에는 방열핀과 냉각팬 등의 냉각부가 부착되는 경우가 일반적이다. 히팅 블록과 냉각부의 연결부위를 히트 브레이크(heat break)라고 한다.
멜트 존에서 발생한 열로 인해 히트 브레이크 이상의 부위까지 고온으로 가열되는 경우, 해당 부위의 필라멘트가 간헐적인 용융과 고화를 반복하다가 고착되어 통로를 막아버리는 클로깅(clogging)이 발생한다. 또한 이와 같이 열이 타고 올라가 클로깅이 발생하는 메커니즘을 열 축적(heat creep)이라고 한다. 이러한 열 축적을 막기 위해서는 충분한 냉각을 제공하여 멜트 존의 온도가 히트 브레이크의 온도보다 높은 곳까지 전달되지 못하게 할 필요가 있다. 따라서, 프린팅 헤드의 온도를 최적의 상태로 유지할 수 있으며, 열 축적으로 인한 프린트 불량을 방지할 수 있는 기술개발이 요구되고 있다.
관련 선행문헌으로 한국등록특허 1,764,058는 "금속합금 필라멘트용 3D 프린터"을 개시한다.
한국등록특허 1,764,058
본 발명의 일 실시예는 3D 프린터의 프린팅 헤드의 온도를 최적의 상태로 유지할 수 있으며, 열 축적으로 인한 프린트 불량을 방지할 수 있는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치 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 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치는 길이방향을 따라 길게 형성되어 내측에 중공형의 공급관으로 유입된 필라멘트의 공급 흐름을 안내하는 필라멘트 공급부, 공급관을 둘러싸는 형상으로 구비되어 필라멘트를 가열시켜 용융시키는 가열부, 가열부의 하단에 구비되어 가열부로부터 용융된 필라멘트를 외부로 배출하는 노즐부, 가열부의 상측에서 공급관을 둘러싸는 형상으로 구비되어 가열부로 공급되는 필라멘트의 온도를 냉각시키도록 내부에 냉매 유로가 구비되는 냉각부, 냉각부와 가열부의 온도를 검출하는 온도 검출부, 그리고 온도 검출부로부터 검출된 온도에 따라 냉각부로 공급되는 냉매의 유량 조절에 해당되는 제어신호를 발생하는 제어부를 포함한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어방법은 길이방향을 따라 길게 형성되어 내측에 중공형의 공급관으로 유입된 필라멘트의 공급 흐름을 안내하는 필라멘트 공급단계, 내부에 냉매 유로가 구비되는 냉각부에서 필라멘트의 온도를 냉각시키는 냉각단계, 가열부를 통해 필라멘트를 가열시켜 용융시키는 가열단계, 냉각부와 가열부의 온도를 검출하는 온도 검출단계, 온도 검출단계에서 검출된 온도에 따라 냉각부로 공급되는 냉매의 유량 조절에 해당되는 제어신호를 발생하는 제어단계, 그리고 용융된 필라멘트를 노즐부 외부로 배출하는 출력단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예는 3D 프린터 히팅 블록의 냉각 관련하여 정밀 제어를 통해 프린팅 헤드의 온도를 최적의 상태로 유지할 수 있으며, 열 축적으로 인한 프린트 불량을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 3D 프린터를 이용시 프린팅의 신뢰성을 향상시키고 기존에 소요되던 출력물 폐기와 분해조립으로 인한 기기 생산성 저하, 시간 및 노동력 소요의 문제를 방지할 수 있다.
또한, 3D 프린터 히팅 블록의 냉각 관련하여 냉매 유량과 냉매 입출구 온도 측정을 통해 냉각량을 실시간으로 측정할 수 있고, 필요에 따라 정량적으로 냉매의 흐름을 제어할 수 있어 3D 프린터의 출력 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각부의 냉매 흐름구조를 개략적으로 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 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치 및 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각부의 냉매 흐름구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치는 필라멘트 공급부, 가열부(50), 노즐부(60), 냉각부(40), 온도 검출부, 제어부(150)를 포함하며, 가열부(50) 주변의 냉각 관련하여 냉매 유량과 냉매 입출구 온도 측정을 통한 정밀 제어를 통해 3D 프린터의 프린팅 헤드의 온도를 최적의 상태로 유지할 수 있으며, 열 축적으로 인한 프린트 불량을 방지할 수 있다.
필라멘트 공급부는 길이방향을 따라 길게 형성되어 내측에 중공형의 공급관(32)으로 유입된 필라멘트(30)의 공급 흐름을 안내할 수 있다. 필라멘트 공급부는 필라멘트 스풀(10), 필라멘트 공급 조절부(20)를 포함할 수 있다. 필라멘트 공급 조절부(20)는 필라멘트 공급부와 가열부(50) 사이에 구비되어 제어부(150)로부터 공급되는 필라멘트 공급 조절 제어신호에 따라 가열부(50)로 공급되는 필라멘트(30)의 공급을 조절할 수 있다. 필라멘트 공급 조절부(20)는 필라멘트(30)의 공급과 관련된 압출기능을 구현하는 모터부를 포함할 수 있다. 필라멘트 공급 조절부(20)의 구동으로 필라멘트(30)의 전진량과 후진량을 측정할 수 있다.
가열부(50)는 공급관(32)을 둘러싸는 형상으로 구비되어 필라멘트(30)를 가열시켜 용융시키는 기능을 한다. 가열부(50)는 히팅 블록을 포함할 수 있다.
노즐부(60)는 가열부(50)의 하단에 구비되어 가열부(50)로부터 용융된 필라멘트를 외부로 배출하는 기능을 한다.
냉각부(40)는 가열부(50)의 상측에서 공급관(32)을 둘러싸는 형상으로 구비되어 가열부(50)로 공급되는 필라멘트(30)의 온도를 냉각시키도록 내부에 냉매 유로가 구비될 수 있다. 냉각부(40)는 히트 싱크를 포함할 수 있다. 냉각부(40)는 냉매 유입부(102)와 냉매 배출부(104)를 포함할 수 있다. 냉매 유입부(102)와 냉매 배출부(104)는 서로 180도 반대방향으로 향하게 하여 냉매의 이동으로 인해 프린터 헤드에 가해지는 운동량을 상쇄시키도록 할 수 있다. 이는 냉매 공급으로 인한 프린터 헤드의 떨림을 최소화하여 출력의 품질을 유지할 수 있다.
냉각부(40)와 냉매 유로를 형성하며, 냉각부(40)로부터 냉매를 공급받아 냉매를 저장하고 저장된 냉매를 냉각부(40)로 공급하는 냉매 저장부(110), 그리고 냉각부(40)와 냉매 저장부(110) 사이에 구비되어 제어부(150)로부터 공급되는 냉매 유량 조절 제어신호에 따라 냉각부(40)로 공급되는 냉매의 유량을 조절하는 냉매 유량 조절부(140)를 더 포함할 수 있다. 냉매 저장부(110)에 구비되어 냉매 저장부(110)로 유입된 냉매의 온도를 조절하는 냉매 온도 조절부(112)를 더 포함할 수 있다. 냉매의 공급을 유지하는 냉매 펌프(120), 냉매 유로를 형성하는 냉매관의 유량을 측정하는 냉매 유량 측정부(130)를 더 포함할 수 있다.
온도 검출부는 냉각부(40)와 가열부(50)의 온도를 검출하는 기능을 한다. 온도 검출부는 냉각부(40)로 공급되는 냉매의 온도를 검출하는 제1 온도 검출부(160), 그리고 가열부(50)의 온도를 검출하는 제2 온도 검출부(180)를 포함할 수 있다.
제1 온도 검출부(160)는 냉각부(40)에서 냉매 유입부(102)에 구비되어 냉매의 유입 온도를 검출하는 제11 온도 검출부(162), 그리고 냉각부(40)에서 냉매 유입부(102)와 대응되는 냉매 배출부(104)에 구비되어 냉매의 배출 온도를 검출하는 제12 온도 검출부(164)를 포함할 수 있다.
제어부(150)는 온도 검출부로부터 검출된 온도에 따라 냉각부(40)로 공급되는 냉매의 유량 조절에 해당되는 제어신호를 발생한다. 제어부(150)는 냉매 유량 조절을 포함한 가열부(50) 주변의 정밀 냉각 제어와 관련하여 전반적인 제어동작을 구현할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 제1 온도 검출부(160)와 제2 온도 검출부(180)로부터 검출된 온도에 따라 필라멘트(30)의 공급 조절에 해당되는 제어신호를 발생할 수 있다. 제어부(150)는 제11 온도 검출부(162)와 제12 온도 검출부(164)로부터 각각 입력되는 온도 측정신호를 구분하여 냉매의 흐름으로 인한 열출입을 정량적으로 계산하고 분석할 수 있다. 제어부(150)는 메모리부와 프로세서를 포함한 마이크로 컴퓨터를 포함할 수 있다.
한편, 온도 검출부는 가열부(50)와 냉각부(40)의 사이에 구비되는 히트 브레이크의 온도를 검출하는 제3 온도 검출부(170)를 더 포함할 수 있다.
제어부(150)는 제3 온도 검출부(170)로부터 검출된 히트 브레이크의 온도를 분석하여 목표 냉각량을 계산하며, 냉매의 유량과 물성 정보, 그리고 제1 온도 검출부(160)로부터 입력되어 분석된 냉각부(40)의 입출구 온도차를 이용하여 실제 냉각량을 실시간으로 분석하여 냉각부(40)로 공급되는 냉매의 유량을 조절함으로써 냉각량을 목표치에 근접하도록 제어할 수 있다.
FDM 방식 3D 프린터 헤드에서 열 축적으로 인한 클로깅을 방지하기 위해서는 멜트 존으로부터 오는 열을 효과적으로 방출할 필요가 있다. 구체적으로는 히트 브레이크를 경계로 하여 그보다 높은 위치의 냉각구역(cold zone)은 온도를 필라멘트(30)의 유리화 전이온도(glass transition temperature) 보다 낮게 유지한다. 그리고 냉각구역 보다 아래 위치의 가열구역(hot zone)은 필라멘트(30)의 녹는점 수준으로 유지한다. 필라멘트(30)는 일정한 속도로 전진하기만 하는 것이 아니고, 프린팅 조건에 따라 전진(protract)과 후퇴(retract)를 반복하며 그 속도와 거리 또한 출력 설정에 따라 가변적이다. 따라서 냉각구역의 온도를 안정적으로 낮게 유지하기 위해 냉각에 필요한 조건들을 고려하여 모니터링하고, 해당되는 냉각량을 적절하게 공급할 필요가 있다.
공랭식 구조에서 냉각 핀과 냉각 팬으로부터 방출되는 열속은 단순화하여 로 표현할 수 있다. 여기에서 q''는 방출되는 열속, k는 냉각 핀의 형상 등으로부터 결정되는 상수(여기서, 사용되는 상수 k는 후술되는 상수 k와 서로 다른 값임), h는 주로 냉각 팬의 회전속도로부터 결정되는 대류열전달계수, Tair 는 외기 온도, Tbreak는 히트 브레이크의 온도이다.
한편 히팅 블록으로부터 히트 브레이크로 전달되는 열속은 단순화하여 로 표현할 수 있다. k는 히팅 블록의 재질 등으로부터 결정되는 열전도계수, Thead는 히팅 블록의 온도, l은 히팅 블록에서 히트 브레이크까지의 거리이다. 히팅 블록의 온도가 필라멘트(30)의 녹는점 수준으로 유지되나 히트 브레이크의 상부로는 이 고온이 올라가지 않는 이상적인 상태를 유지하기 위해서는 인 균형 상태를 유지해야 한다.
기존의 공랭식 구조에서 냉각 상황을 정량적으로 파악하기 위해서는 위에서 제시한 변수들을 파악할 필요가 있다. 그러나 일반적인 구조에서는 Tbreak 가 측정되지 않으므로 정확히 계산하기는 어렵다. 또한 방출되는 열속 q"cooling을 파악하기 위해서는 현재 가동중인 냉각 팬의 풍량과 그에 따른 대류열전달계수(h), 외기 온도, 냉각 핀의 형상 및 배치에서 나오는 열전달계수 k 등을 알아야 한다.
더 정확한 열출입 수지를 파악하기 위해 추가로 필라멘트의 전진과 후퇴를 계산에 넣을 수 있다. 출력 중인 필라멘트는 거시적으로 볼 때 노즐 방향으로 전진한다고 볼 수 있다. 세부적으로 보면 필라멘트의 출력 속도는 헤드의 이동속도에 맞추어 조절될 수 있다. 특히 필라멘트의 출력 속도는 헤드의 움직임이 직각으로 꺾이는 등의 상황에서 크게 변할 수 있다. 또한 거미줄 현상(oozing)을 완화하기 위해서 필라멘트 압출 모터가 반대로 동작하여 노즐 반대 방향으로 빠르게 후퇴하기도 한다. 이 때에 히팅 블록에서 가열된 고온의 필라멘트가 히트 브레이크 방향으로 이동하므로, 이에 맞추어 추가적인 냉각이 필요하다. 그러나 일반적인 세팅에서는 냉각 팬이 일정한 속도로 회전하게 되어 있으므로 이와 같은 가변적인 상황에 맞춘 냉각이 이루어지지 않는다.
현재 일반적인 FDM 프린터의 구성에서 냉각 팬의 가동속도는 쉽게 측정 및 조절이 가능하므로 풍량은 파악할 수 있으나 그에 따른 대류열전달계수(h) 계산이 용이하지 않다. 또한 그 외 물성들이 측정되지 않는다. 결과적으로 현재의 열 출입량이 정량적으로 계산되기 어려운 구조이다. 따라서 현재는 냉각 핀의 형상, 냉각 팬의 속도 등을 경험에 근거하여 선정하는 대략적인 설계가 이루어지고 있다.
이와 같은 설계로도 일반적인 경우에는 큰 문제가 없으나, ABS 등 고온을 요구하는 필라멘트 출력조건에서는 문제가 발생할 수 있다. ABS 필라멘트의 경우 녹는점이 높다는 특성상 Thead 의 온도가 250 ℃에서 높게는 270 ℃ 수준으로도 상승한다. 또한 출력된 부품의 열수축을 방지하기 위해서 출력 영역을 인클로져로 감싼 챔버로 만들어 60~70 ℃ 수준의 온도를 유지하는 것이 권장되므로, Tair 의 온도가 크게 오른다. 결과적으로 q"break은 오르고 q"cooling은 내려가는 조건이 되므로, 충분한 냉각이 이루어지지 못해 클로깅 문제가 발생하기 쉽다. 이 상황은 강한 냉각능력이 필요한 상황에 냉각능력이 오히려 약해진다는 기술적 모순이기도 하다.
이러한 기술적 모순의 해결 및 보다 효과적인 냉각을 위하여 본 발명의 실시예에서는 외부의 냉각재(냉매)를 직접 히트 싱크로 공급하는 냉각부(40) 구조를 적용한다. 예를 들어, 종래의 공랭식 히트 싱크를 냉매가 공급되어 냉각유로를 형성하는 냉각 블록 방식의 히트 싱크로 적용할 수 있다. 냉매가 공급되는 히트 싱크에는 냉각 파이프가 연결되어 냉매를 주입 및 배출할 수 있다. 그리고 제어부(150)로 제어되는 펌프와 가변 밸브 등의 장치를 사용해 히트 싱크로 공급되는 냉매의 유량을 실시간으로 제어할 수 있다.
냉매의 유동을 만들어내는 방식은 통상적인 탱크 가압, 펌프 작동 외에도 마그네토 하이드로다이내믹 구동(MHD ; magnetohydrodynamic drive) 등의 방식을 사용할 수 있다. 냉각 파이프를 흐르는 냉매는 가압된 공기나 헬륨 등의 기체, 물 등의 액체, 액체금속과 같이 열전달성능이 높은 특수한 액체를 포함할 수 있다. 냉매는 온도 조절부가 구비된 냉매 저장부(110)를 중심으로 냉각부(40)와 냉매 유로로 연결되어 냉매가 순환할 수 있다. 이와는 달리, 냉매는 히트 싱크를 냉각시키고 가열된 냉매를 대기중에 방출하는 일방향 구조에 적용될 수도 있다. 이러한 구조에서 히트 싱크로 주입되는 냉매는 별도의 공간으로부터 공급되므로, Tair 에 해당하는 냉각재 온도를 챔버 온도와 무관하게 낮게 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치는 냉매가 히트 싱크에 공급되는 냉각구조를 통해 일차적으로는 상술한 기술적 모순을 해결할 수 있다. 그리고 냉매가 공급되는 히트 싱크와 냉매가 공급되는 과정에서 정밀 제어를 통해 프린팅 헤드의 온도를 최적의 상태로 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치에 사용되는 온도 검출부와 냉매 유량 측정부(130)는 반응속도가 빠른 타입이 바람직하다. 제어부(150)는 온도 검출부와 냉매 유량 측정부(130)를 통해 입력된 측정값을 이용해 냉매로 인한 냉각량을 정량적으로 계산하고, 정온 유지를 위해 필요한 냉매의 유량을 실시간으로 분석하여 적정량의 냉매를 주입하도록 냉매 유량 조절부(140)로 해당되는 제어신호를 공급하여 냉매 공급 유량을 제어할 수 있다.
구체적으로, 히팅 블록과 필라멘트(30) 등의 물성 정보와 현재 입력되는 온도정보로부터 열용량을 알아낼 수 있고, 히트 브레이크의 온도로부터 목표 냉각량을 계산해낼 수 있다. 그리고 냉매의 유량과 물성 정보, 그리고 입출구 온도차로부터 실제 냉각량을 실시간으로 파악할 수 있다. 따라서, 제어부(150)는 실시간으로 입력되는 냉매의 공급관련 측정값을 분석하여 히트 싱크로 공급되는 냉매의 유량을 조절함으로써 냉각량을 목표치에 근접하도록 제어할 수 있다.
참고로, 히팅 블록의 온도는 필라멘트(30)의 녹는점 수준으로 유지되야 하며, 히트 브레이크의 상부는 필라멘트(30)의 녹는점 수준의 온도로 올라가지 않는 이상적인 균형 상태를 유지해야 한다.
예를 들어, 제어부(150)는 히트 브레이크를 경계로 하여 냉각구역(cold zone)의 온도는 필라멘트(30)의 유리화 전이온도(glass transition temperature) 보다 낮게 유지하도록 제어할 수 있다. 그리고 가열구역(hot zone)은 미리 설정된 필라멘트(30)의 녹는점 이상으로 유지하도록 제어할 수 있다.
필라멘트(30)는 프린팅 조건에 따라 전진(protract)과 후퇴(retract)를 반복하며 그 속도와 거리 또한 출력 설정에 따라 가변적으로 공급되도록 제어할 수 있다.
냉각구역의 온도를 안정적으로 낮게 유지하고자 상기 조건들을 모니터링하고, 냉각량을 맞추어 공급할 수 있다.
이와 같은 시스템은 비용절감을 위해 측정개소가 간략화될 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어방법은 필라멘트 공급단계, 냉각단계, 가열단계, 온도 검출단계, 제어단계, 그리고 출력단계를 포함한다.
필라멘트 공급단계는 필라멘트 공급부를 통해 길이방향을 따라 길게 형성되어 내측에 중공형의 공급관(32)으로 유입된 필라멘트(30)의 공급 흐름을 안내하는 단계이다.
냉각단계는 내부에 냉매 유로가 구비되는 냉각부(40)에서 필라멘트(30)의 온도를 냉각시키는 단계이다.
가열단계는 가열부(50)를 통해 필라멘트(30)를 가열시켜 용융시키는 단계이다.
온도 검출단계는 냉각부(40)와 가열부(50)의 온도를 검출하는 단계이다.
제어단계는 온도 검출단계에서 검출된 온도에 따라 냉각부(40)로 공급되는 냉매의 유량 조절에 해당되는 제어신호를 발생하는 단계이다. 여기서, 제어단계는 냉각부(40)를 통과한 필라멘트(30)가 가열되는 가열부(50)의 검출온도와, 필라멘트(30)가 통과하는 냉각부(40)의 입출구 검출온도 차이값을 분석하여 냉매 유량을 결정하고, 결정된 냉매 유량에 따라 냉각부(40)로 냉매를 공급하는 냉매 유량 조절밸브의 개폐량을 제어하는 냉매 유량 제어단계를 포함할 수 있다. 한편, 제어단계는 냉각부(40)로 공급되는 냉매의 유량을 제어하면서 필라멘트(30)의 이동량을 보정하는 필라멘트 이동 보정단계를 더 포함할 수 있다.
출력단계는 용융된 필라멘트를 노즐부(60) 외부로 배출하는 단계이다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치 및 방법을 이용하면 열 축적으로 인한 프린트 불량을 방지할 수 있고, 이에 따라 프린팅의 신뢰성을 향상시키고 기존에 소요되던 출력물 폐기와 분해조립으로 인한 기기 생산성 저하, 시간 및 노동력 소요의 문제를 방지할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 ABS와 같이 멜팅 존과 출력공간 전체의 온도를 높게 유지해야 하는 필라멘트의 경우, 공랭식 헤드로는 냉각 요구량은 늘어나는데 냉각 성능은 떨어져 요구를 달성하기 어려워지는 기능적 모순이 발생한다.
본 발명의 경우 냉매가 출력공간 외부에서 공급되므로 이와 같은 모순을 해결하고 일정한 냉각량을 공급하는 데에 유리하다. 또한 히트 싱크로 공급되는 냉매 유량과 냉매 주입부와 냉매 배출부(104)의 온도 측정을 통해 냉각량을 실시간으로 측정할 수 있고, 필요에 따라 정량적으로 제어할 수 있어 출력 품질을 향상시킬 수 있다.
최근 3D 프린팅은 물자 공급이 제한되는 우주정거장 등에서의 활용이 기대되고 있다. 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치는 3D 프린터의 출력 실패를 막는 기술이기도 하므로, 우주정거장 등 물자와 인력의 제약이 큰 곳에서 기기 고장으로 인한 불필요한 자원 낭비를 막는 기술이 될 수 있다.
부가적으로, 냉각 핀의 단면적과 외기 온도, 풍량에 의존하는 공랭식 냉각기를 사용하지 않기 때문에 프린팅 헤드의 부피와 하중을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다. 현재 FDM 프린팅 헤드는 크게 분류하여 필라멘트를 움직이는 압출기 모터(extruder motor)가 헤드에 직접 붙은 다이렉트 드라이브(direct drive)와 멀리 떨어진 보우덴(bowden)으로 구분할 수 있다. 보우덴 방식은 프린팅 헤드를 가볍게 만들 수 있어 내구성과 비용, 출력 속도 측면에서 유리하다. 다만 필라멘트와 헤드의 거리가 멀기 때문에 특히 TPU와 같이 마찰력과 탄성이 높은 재료의 출력시 튜브 내부에서 필라멘트에 응력이 축적되고 출력 실패로 이어지는 문제가 있다. 본 발명의 실시예를 이용하면 프린팅 헤드의 부피와 중량을 크게 줄일 수 있어 보우덴 방식의 장점 극대화와 다이렉트 드라이브의 약점 극복 양쪽에 활용할 수 있다 .
한편, 본 발명의 실시예를 활용할 경우 압축공기 펌프나 냉매 저장조 등 별도의 냉매 제어시설을 갖추어야 하므로 프린터 셋업에 초기 비용이 가산될 수 있다. 그러나 이러한 냉매 제어시설은 다수의 프린터를 운용하는 스마트 팜 등의 구성에도 사용할 수 있다. 이 때에는 하나의 냉매 제어시설로 여러 대의 프린터에 냉각을 제공할 수 있으므로 이와 같은 초기 비용이 크게 문제되지 않으며, 높은 냉각성능으로 인한 장점을 극대화할 수 있다.
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.
20 ; 필라멘트 공급 조절부 30 ; 필라멘트
32 ; 공급관 40 ; 냉각부
50 ; 가열부 60 ; 노즐부
102 ; 냉매 유입부 104 ; 냉매 배출부
110 ; 냉매 저장부 112 ; 냉매 온도 조절부
130 ; 냉매 유량 측정부 140 ; 냉매 유량 조절부
150 ; 제어부 160 ; 제1 온도 검출부
162 ; 제11 온도 검출부 164 ; 제12 온도 검출부
170 ; 제3 온도 검출부 180 ; 제2 온도 검출부

Claims (13)

  1. 길이방향을 따라 길게 형성되어 내측에 중공형의 공급관으로 유입된 필라멘트의 공급 흐름을 안내하는 필라멘트 공급부,
    상기 공급관을 둘러싸는 형상으로 구비되어 상기 필라멘트를 가열시켜 용융시키는 가열부,
    상기 가열부의 하단에 구비되어 상기 가열부로부터 용융된 필라멘트를 외부로 배출하는 노즐부,
    상기 가열부의 상측에서 상기 공급관을 둘러싸는 형상으로 구비되어 상기 가열부로 공급되는 상기 필라멘트의 온도를 냉각시키도록 내부에 냉매 유로가 구비되는 냉각부,
    상기 냉각부와 상기 가열부의 온도를 검출하는 온도 검출부, 그리고
    상기 온도 검출부로부터 검출된 온도에 따라 상기 냉각부로 공급되는 냉매의 유량 조절에 해당되는 제어신호를 발생하는 제어부
    를 포함하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치.
  2. 제1항에서,
    상기 온도 검출부는
    상기 냉각부로 공급되는 냉매의 온도를 검출하는 제1 온도 검출부, 그리고
    상기 가열부의 온도를 검출하는 제2 온도 검출부
    를 포함하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 온도 검출부는
    상기 냉각부에서 냉매 유입부에 구비되어 상기 냉매의 유입 온도를 검출하는 제11 온도 검출부, 그리고
    상기 냉각부에서 냉매 유입부와 대응되는 냉매 배출부에 구비되어 상기 냉매의 배출 온도를 검출하는 제12 온도 검출부
    를 포함하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치.
  4. 제1항에서,
    상기 냉각부와 냉매 유로를 형성하며, 상기 냉각부로부터 냉매를 공급받아 상기 냉매를 저장하고 저장된 냉매를 상기 냉각부로 공급하는 냉매 저장부를 더 포함하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치.
  5. 제4항에서,
    상기 냉각부와 상기 냉매 저장부 사이에 구비되어 상기 제어부로부터 공급되는 냉매 유량 조절 제어신호에 따라 상기 냉각부로 공급되는 냉매의 유량을 조절하는 냉매 유량 조절부를 더 포함하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치.
  6. 제4항에서,
    상기 냉매 저장부에 구비되어 상기 냉매 저장부로 유입된 냉매의 온도를 조절하는 냉매 온도 조절부를 더 포함하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치.
  7. 제2항에서,
    상기 제어부는 상기 제1 온도 검출부와 상기 제2 온도 검출부로부터 검출된 온도에 따라 상기 필라멘트의 공급 조절에 해당되는 제어신호를 발생하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치.
  8. 제7항에서,
    상기 필라멘트 공급부와 상기 가열부 사이에 구비되어 상기 제어부로부터 공급되는 필라멘트 공급 조절 제어신호에 따라 상기 가열부로 공급되는 필라멘트의 공급을 조절하는 필라멘트 공급 조절부를 더 포함하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치.
  9. 제3항에서,
    상기 온도 검출부는 상기 가열부와 상기 냉각부의 사이에 구비되는 히트 브레이크의 온도를 검출하는 제3 온도 검출부를 더 포함하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치.
  10. 제9항에서,
    상기 제어부는 상기 제3 온도 검출부로부터 검출된 상기 히트 브레이크의 온도를 분석하여 목표 냉각량을 계산하며, 상기 냉매의 유량과 물성 정보, 그리고 상기 제1 온도 검출부로부터 입력되어 분석된 상기 냉각부의 입출구 온도차를 이용하여 실제 냉각량을 실시간으로 분석하여 상기 냉각부로 공급되는 냉매의 유량을 조절함으로써 냉각량을 목표치에 근접하도록 제어하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어장치.
  11. 필라멘트 공급부를 통해 길이방향을 따라 길게 형성되어 내측에 중공형의 공급관으로 유입된 필라멘트의 공급 흐름을 안내하는 필라멘트 공급단계,
    내부에 냉매 유로가 구비되는 냉각부에서 상기 필라멘트의 온도를 냉각시키는 냉각단계,
    가열부를 통해 상기 필라멘트를 가열시켜 용융시키는 가열단계,
    상기 냉각부와 상기 가열부의 온도를 검출하는 온도 검출단계,
    상기 온도 검출단계에서 검출된 온도에 따라 상기 냉각부로 공급되는 냉매의 유량 조절에 해당되는 제어신호를 발생하는 제어단계, 그리고
    상기 용융된 필라멘트를 노즐부 외부로 배출하는 출력단계
    를 포함하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어방법.
  12. 제11항에서,
    상기 제어단계는 상기 냉각부를 통과한 필라멘트가 가열되는 가열부의 검출온도와, 필라멘트가 통과하는 상기 냉각부의 입출구 검출온도 차이값을 분석하여 냉매 유량을 결정하고, 결정된 냉매 유량에 따라 상기 냉각부로 냉매를 공급하는 냉매 유량 조절밸브의 개폐량을 제어하는 냉매 유량 제어단계를 포함하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어방법.
  13. 제12항에서,
    상기 제어단계는 상기 냉각부로 공급되는 냉매의 유량을 제어하면서 필라멘트의 이동량을 보정하는 필라멘트 이동 보정단계를 더 포함하는 3D 프린터 히팅 블록 냉각 제어방법.
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