KR20240048639A - 분말 도포 장치 - Google Patents

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KR20240048639A
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지승묵
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주식회사 에스에프에스
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Abstract

분말 도포 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 도포 장치는, 내부에 분말 소재가 저장되며, 제1방향으로 이동하면서 상기 분말 소재가 작업 테이블 상면에 도포되도록 하는 호퍼; 제2방향으로 이동하면서 상기 작업 테이블 상면에 도포된 상기 분말 소재를 평탄화하는 리코터부;를 포함하며, 상기 리코터부는, 복수 개의 블레이드를 포함하는 블레이드부 및 롤러를 포함하며, 상기 블레이드의 하단에는 복수 개의 돌출부들이 서로 이격형성되며, 각각의 상기 블레이드는 상기 제2방향을 따라 서로 이격 배치된다. 본 발명에 의하면, 히 바인더 젯 3D 프린터에서 분말 소재를 도포하고 평탄화하는 분말 도포 장치로서, 분말 소재를 평탄화할 때 발생되는 전단응력을 감소시킬 수 있으며 분말 소재의 압축효과와 조밀도를 향상시킬 수 있는 분말 도포 장치가 제공된다.

Description

분말 도포 장치{POWDER SPREADING APPARATUS}
본 발명은 분말 도포 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3D 프린터용 분말 소재를 도포하는 분말 도포 장치에 관한 것이다.
일반적으로 3D 프린터는 3차원 도면을 기반으로 3차원 공간에 인쇄하듯이 물품을 만들어내는 프린터를 의미한다. 3D 프린터는 개발 초기에 플라스틱 소재를 이용한 제한적 용도로 사용되었지만, 최근에는 금속, 세라믹, 나일론 등의 분말을 소재로 이용함으로써 휴대전화 케이스, 자동차 부속품까지 출력할 수 있는 정도로 전 산업분야에 응용되고 있는 추세이다.
대다수 산업용 금속 3D 프린터는 금속 분말을 도포하고 원하는 부분만 레이저로 용융시켜 제품을 만드는 선택적 레이저 소결(SLS, Selective Laser Sintering) 방식을 따르고 있다. 그러나, 선택적 레이저 소결 방식은 정교한 제품 제작은 가능하지만 대형 제품 제작이 어렵고 생산 속도가 느리다는 단점이 있다. 이에 따라 최근에는 분말 재료를 조형 챔버의 조형 스테이지 상에 도포하고 원하는 부분에 접착제를 분사해 제품을 만드는 바인더 젯(Binder-Jet) 방식이 부각되고 있다. 바인더 젯 방식은 더 빠른 속도로 많은 제품을 한 번에 출력할 수 있으며 제품 크기의 제약도 SLS 방식에 비해 적다는 장점이 있다. 이에 따라 최근에는 금속 분말을 소재로 하는 바인더 젯 3D 프린팅 방식에 대한 연구가 활발하다.
바인더 젯 공정에서 우수한 정밀도와 높은 밀도의 출력물을 얻기 위해서는 좋은 평탄도로 분말을 도포 하는 것이 중요하다. 또한, 금속 분말을 도포하는 과정에서, 롤러가 분말을 도포하고 평탄화할 때 이전에 인쇄된 패턴과 도포되는 분말 사이에서 큰 전단응력이 발생하는데, 이로 인해 이전에 인쇄된 패턴이 손상되는 것을 방지하는 것이 중요하다.
미국 공개특허 제2022-0281011호(2022.09.08) 중국 등록특허 제107303608호(2021.05.25.)
본 발명의 일 실시예에 따른 분말 도포 장치는, 특히 바인더 젯 3D 프린터에서 분말 소재를 도포하고 평탄화하는 분말 도포 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 바인더 젯 3D 프린터에서 분말 소재를 평탄화할 때 발생되는 전단응력을 감소시킬 수 있는 분말 도포 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 바인더 젯 3D 프린터에서 도포된 분말 소재를 보다 용이하게 압축시키며 조밀도를 향상시킬 수 있는 분말 도포 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분말 도포 장치는, 내부에 분말 소재가 저장되며, 제1방향으로 이동하면서 상기 분말 소재가 작업 테이블 상면에 도포되도록 하는 호퍼; 제2방향으로 이동하면서 상기 작업 테이블 상면에 도포된 상기 분말 소재를 평탄화하는 리코터부;를 포함하며, 상기 리코터부는, 복수 개의 블레이드를 포함하는 블레이드부 및 롤러를 포함하며, 상기 블레이드의 하단에는 복수 개의 돌출부들이 서로 이격형성되며, 각각의 상기 블레이드는 상기 제2방향을 따라 서로 이격 배치된다.
여기서, 서로 이웃하는 각 블레이드들의 상기 돌출부들은 상기 제2방향을 기준으로 서로 어긋날 수 있다.
여기서, 상기 제2방향을 따라 후방에 배치되는 상기 블레이드에 형성된 상기 돌출부 간의 간격은, 전방에 배치되는 상기 블레이드에 형성된 상기 돌출부 간의 간격보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 제2방향을 따라 후방에 배치되는 상기 블레이드에 형성된 상기 돌출부의 길이는, 전방에 배치되는 상기 블레이드에 형성된 상기 돌출부의 길이보다 짧을 수 있다.
여기서, 상기 롤러의 하단의 높이는 상기 블레이드의 하단의 높이와 같거나 낮을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 바인더 젯 3D 프린터에서 분말 소재를 평탄화할 때 발생되는 전단응력을 감소시킬 수 있다.
또한, 바인더 젯 3D 프린터에서 도포된 분말 소재의 압축 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 바인더 젯 3D 프린터에서 도포된 분말 소재의 조밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 개략적인 사시도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 호퍼의 정면도
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 리코터부의 개략적인 사시도
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 리코터부의 개략적인 저면 사시도
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 개략적인 측면도
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 블레이드부의 개략적인 정면도
도 7 및 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 작동 설명도
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 분말 도포 장치의 블레이드의 개략적인 정면도
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 분말 도포 장치의 블레이드의 변형예의 개략적인 정면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 이에 대해 상세한 설명에 상세하게 설명한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
설명에 앞서 상세한 설명에 기재된 용어에 대해 설명한다. 이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
또한, 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면 부호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분말 도포 장치는, 특히 바인더 젯 3D 프린터에서 금속 분말 소재를 도포하고 평탄화하는 분말 도포 장치로서, 분말 소재를 평탄화할 때 발생되는 전단응력을 감소시킬 수 있으며 분말 소재의 압축효과와 조밀도를 향상시킬 수 있는 분말 도포 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 개략적인 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분말 도포 장치(1000)는 호퍼(100) 및 리코터부(200)를 포함한다.
호퍼(100)는 내부에 저장된 분말 소재(P)가 작업 테이블(10) 상면 및 조형 스테이지(20) 상에 도포되도록 하며, 리코터부(200)는 작업 테이블(10) 상면 및 조형 스테이지(20) 상에 도포된 분말 소재(P)들을 평탄화하여 분말층(F)을 형성하는 구성이다. 본 실시예에서 작업 테이블(10) 상면 및 조형 스테이지(20) 상에 도포된 분말 소재(P)들을 리코터부(200)가 가압하여 평탄화한 것을 분말층(F)이라 한다.
호퍼(100)는 제1방향으로 이동되면서 작업 테이블(10) 상면 및 조형 스테이지(20) 상에 분말 소재(P)를 도포할 수 있다. 이 때 리코터부(200)는 호퍼(100)의 도포와 동시에 즉, 호퍼(100)의 후방에 배치되어 제1방향을 따라 이동하면서 분말 소재(P)를 평탄화할 수 있다. 또는 호퍼(100)가 제1방향으로 이동하면서 작업 테이블(10) 상면 및 조형 스테이지(20) 상에 분말 소재(P) 도포를 완료한 후, 리코터부(200)는 제1방향과 반대 방향인 제2방향으로 이동하면서 분말 소재(P)를 균일한 높이로 평탄화할 수 있다. 즉 제1방향과 제2방향은 분말 소재(P)의 도포 공정과 평탄화 공정을 구별하기 위한 용어로 사용되었으며, 제1방향과 제2방향이 반드시 다른 방향인 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 호퍼의 정면도이다.
호퍼(100)는 내부에 분말 소재(P)를 저장할 수 있도록 내부 공간이 형성된 통 구조를 가질 수 있다. 그리고 호퍼(100)의 상단 일측에는 분말 소재(P)가 투입되는 분말 유입구(110)가 형성될 수 있다. 호퍼(100)의 하단에는 분말 소재(P)가 하방으로 배출되는 도포 슬릿(미도시)이 형성된다.
호퍼(100) 내부에는 스크류(120)가 회전 가능하게 설치되어, 분말 유입구(110)로 투입되는 분말 소재(P)가 호퍼(100) 내부 공간에서 축 방향으로 골고루 분산 상태로 채워지도록 할 수 있다.
호퍼(100)의 하단에는 도포량 제어수단(130)이 설치될 수 있다. 도포량 제어수단(130)은 도포 슬릿의 개폐정도를 조절하여 도포 슬릿을 통해 배출되는 분말 소재(P)의 배출량을 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 리코터부의 개략적인 사시도이며, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 리코터부의 개략적인 저면 사시도이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 개략적인 측면도이며, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 블레이드부의 개략적인 정면도이며, 도 7 및 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 분말 도포 장치의 작동 설명도이다.
리코터부(200)는 호퍼(100)와 함께 이동하면서 작업 테이블(10) 및 조형 스테이지(20) 상면에 도포된 분말 소재(P)를 가압/평탄화하는 구성이다.
본 실시예에서 리코터부(200)는 블레이드부(300) 및 롤러(400)를 포함한다.
블레이드부(300)는 롤러(400)를 통해 분말 소재(P)를 가압할 때 롤러(400)의 전방에서 분말 소재(P)에 가해지는 전단력을 감소시키는 구성이다. 즉, 이전의 분말층(F)에 인쇄된 패턴과 도포되는 분말 소재(P) 사이에 발생하는 전단력을 감소시키는 구성이다.
블레이드부(300)는 복수 개(N개)의 블레이드(310)를 포함한다. 블레이드(310) 각각은 서로 제2방향인 평탄화방향을 따라 이격된다. 본 실시예에서 제2방향을 따라 전방에 배치된 블레이드에 대해 낮은 번호를 부여한다. 즉 평탄화 시 제1블레이드가 가장 먼저 분말 소재(P)와 접촉하는 구성이다.
블레이드(310)의 하단에는 길이 방향을 따라 복수 개의 돌출부(320)가 형성된다. 돌출부(320)는 서로 이격되어 블레이드(310)의 하단이 대략 톱니 구조를 형성할 수 있다. 이 때 돌출부(320)의 형상은 사각형이거나, 또는 하방으로 갈수록 횡단면적이 감소하여 하단이 첨두를 형성할 수도 있으며, 형상에 제한은 없다.
이를 통해 블레이드(310)가 이동하는 과정에서 작업 테이블(10)과 조형 스테이지(20)에 도포된 분말 소재(P)에 골(V, 도 8 참조)을 형성하며 이동된다. 분말 소재(P)에 골(V)이 형성됨으로써 롤러(400)가 분말 소재(P)를 평탄화할 때 발생하는 전단력을 감소시킬 수 있다.
각각의 블레이드(310)에는 하단에 돌출부(320)들이 형성되는데, 이 때 서로 이웃하는 블레이드(310)에 형성된 돌출부(320)들은 제2방향을 기준으로 서로 어긋나도록 배치된다. 다시 말해, 서로 이웃하는 블레이드(310)에 형성된 돌출부(320)들은 제2방향을 따라 서로 교차하도록 형성된다.
구체적으로 제1블레이드(310)의 하단에는 돌출부(320)에 의해 요철 구조가 형성되며, 제2블레이드(310)의 하단에도 돌출부(320)에 의해 요철 구조가 형성되는데, 제1블레이드(310)의 돌출부(320)와 제2블레이드(310)의 돌출부(320)는 제2방향을 따른 가상의 선에 대해 서로 어긋나도록 배치된다.(도 6 참조) 따라서 제2블레이드(310)의 돌출부(320)의 적어도 일부는 제2방향을 따라 제1블레이드(310)의 돌출부(320)들 사이의 공간과 일치한다.
이를 통해 블레이드부(300)가 제2방향으로 이동하면, 제1블레이드(310)에 의해 형성되는 골(V)의 위치와 제2블레이드(310)에 의해 형성되는 골(V)의 위치가 서로 상이하다.
롤러(400)는 분말층(F)을 가압/평탄화하는 구성이다. 롤러(400)는 제2방향을 따라 블레이드부(300)의 후방에 배치되어, 블레이드부(300)에 의해 골(V)이 형성된 분말 소재(P)를 균일한 높이로 가압하여 평탄화한다.
롤러(400)의 하단의 높이는 블레이드(310)의 하단의 높이와 같거나 낮을 수 있다. 즉 블레이드(310)의 하단의 높이는 평탄화 중인 분말층(F)의 상단과 동일하거나, 평탄화 중인 분말층(F)의 상단으로부터 소정간격(h) 이격될 수 있다. 바람직하게는 분말층(F)으로부터 소정간격(h) 이격되어, 롤러(400)의 하단은 블레이드(310)의 하단보다 낮게 배치된다.(도 5 참조)
분말 소재(P)의 최종 평탄화(코팅) 두께 즉 분말층(F)의 두께는 롤러(400)의 하단에 의해 결정되며, 블레이드부(300)는 롤러(400)가 가압/평탄화할 때 이전 분말층(F)에 인쇄된 패턴과 분말 소재(P) 사이에 가해지는 전단력을 감소시키기 위한 것으로서, 분말 소재(P)에 골(V)을 형성하며 이동하는 구성이다. 따라서, 블레이드부(300) 하단의 구조는 정밀성이 요구되지 않을 수 있으며, 이에 따라 용이한 제조가 가능할 수 있다.
블레이드부(300)가 이전 분말층(F)에 인쇄된 패턴과 분말 소재(P) 사이에 가해지는 전단력을 감소시킨 후 롤러(400)가 분말층(F)을 형성하므로 분말 소재(P)에 대한 압축효과 및 분말의 조밀도가 향상될 수 있다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 분말 도포 장치에 대해 설명한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 분말 도포 장치(2000)는 호퍼(100) 및 리코터부(200)를 포함한다. 호퍼(100)는 제1실시예와 동일하므로 중복 설명은 생략한다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 분말 도포 장치의 블레이드의 개략적인 정면도이다.
리코터부(200)는 호퍼(100)와 함께 이동하면서 작업 테이블(10) 및 조형 스테이지(20) 상면에 도포된 분말 소재(P)를 가압/평탄화하는 구성이다.
본 실시예에서 리코터부(200)는 블레이드부(300) 및 롤러(400)를 포함한다.
블레이드부(300)는 롤러(400)를 통해 분말 소재(P)를 가압할 때 롤러(400)의 전방에서 분말 소재(P)에 가해지는 전단력을 감소시키는 구성이다. 즉, 이전의 분말층(F)에 인쇄된 패턴과 도포되는 분말 소재(P) 사이에 발생하는 전단력을 감소시키는 구성이다.
블레이드부(300)는 복수 개의 블레이드(510)를 포함한다. 블레이드(510) 각각은 서로 제2방향인 평탄화방향을 따라 이격된다.
블레이드(510)의 하단에는 길이 방향을 따라 복수 개의 돌출부(320)가 형성된다. 돌출부(320)는 서로 이격되어 블레이드(510)의 하단이 대략 톱니 구조를 형성할 수 있다. 이 때 돌출부(320)의 형상은 사각형이거나, 또는 하방으로 갈수록 횡단면적이 감소하여 하단이 첨두를 형성할 수도 있다.
이를 통해 블레이드(510)가 이동하는 과정에서 작업 테이블(10)과 조형 스테이지(20)에 도포된 분말 소재(P)에 골(V)을 형성하며 이동된다. 분말 소재(P)에 골(V)이 형성됨으로써 후술하는 롤러(400)가 분말층(F)을 평탄화할 때 발생하는 전단력을 감소시킬 수 있다.
각각의 블레이드(510) 하단에는 돌출부(320)들이 형성되는데, 이 때 상대적으로 전방에 배치된 블레이드(510)의 돌출부(320) 간의 간격이 보다 크게 마련된다.
최전방에 배치된 블레이드(510)에 가장 큰 전단력이 가해지므로, 분말 소재(P)에 상대적으로 큰 골(V)을 형성할 수 있도록 돌출부(320) 간의 간격이 크게 형성된다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 분말 도포 장치의 블레이드의 변형예의 개략적인 정면도이다.
변형예로서, 돌출부(320)의 간격 뿐만 아니라 돌출부(320)의 길이또한 서로 다르게 형성함으로써 최전방에 배치된 블레이드(510)에 의해 분말 소재(P)에 상대적으로 큰 골(V)이 형성되며, 후방으로 갈수록 작은 골(V)이 형성되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 히 바인더 젯 3D 프린터에서 분말 소재를 도포하고 평탄화하는 분말 도포 장치로서, 분말 소재를 평탄화할 때 발생되는 전단응력을 감소시킬 수 있으며 분말 소재의 압축효과와 조밀도를 향상시킬 수 있는 분말 도포 장치가 제공된다.
본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라, 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1000 : 분말 도포 장치
10 : 작업 테이블 20 : 조형 스테이지
100 : 호퍼 110 : 분말 유입구
120 : 스크류 130 : 도포량 제어수단
200 : 리코터부 300 : 블레이드부
310, 510 : 블레이드 320 : 돌출부
400 : 롤러 P : 분말 소재
F : 분말층 V : 골

Claims (5)

  1. 내부에 분말 소재가 저장되며, 제1방향으로 이동하면서 상기 분말 소재가 작업 테이블 상면에 도포되도록 하는 호퍼;
    제2방향으로 이동하면서 상기 작업 테이블 상면에 도포된 상기 분말 소재를 평탄화하는 리코터부;를 포함하며,
    상기 리코터부는,
    복수 개의 블레이드를 포함하는 블레이드부 및 롤러를 포함하며,
    상기 블레이드의 하단에는 복수 개의 돌출부들이 서로 이격형성되며, 각각의 상기 블레이드는 상기 제2방향을 따라 서로 이격 배치되는
    분말 도포 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    서로 이웃하는 각 블레이드들의 상기 돌출부들은 상기 제2방향을 기준으로 서로 어긋나는
    분말 도포 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2방향을 따라 후방에 배치되는 상기 블레이드에 형성된 상기 돌출부 간의 간격은, 전방에 배치되는 상기 블레이드에 형성된 상기 돌출부 간의 간격보다 작은
    분말 도포 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2방향을 따라 후방에 배치되는 상기 블레이드에 형성된 상기 돌출부의 길이는, 전방에 배치되는 상기 블레이드에 형성된 상기 돌출부의 길이보다 짧은
    분말 도포 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 롤러의 하단의 높이는 상기 블레이드의 하단의 높이와 같거나 낮은
    분말 도포 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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