KR20240065691A - 컨베이어 벨트를 이용한 3d 프린터 - Google Patents

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배진만
황창욱
황기환
황선미
안상현
박재철
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Abstract

컨베이어 벨트를 이용한 3D 프린터가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트를 이용한 3D 프린터는, 소정 간격을 두고 평행하게 이격되면서 지면에 안착되는 복수 개의 제1 프레임; 상기 제1 프레임의 일단에서 상기 제1 프레임과 각각 소정 각도를 이루면서 상기 제1 프레임의 상측으로 연장 형성되는 복수 개의 제2 프레임; 상기 제1 프레임의 타단에서 상기 제1 프레임과 각각 소정 각도를 이루면서 상기 제2 프레임과 연결되는 복수 개의 제3 프레임; 상기 복수 개의 제1 프레임 사이에서 지면과 평행하도록 구비되는 베이스 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트의 상부에 구비되어, 상기 제1 프레임의 일단과 상기 제1 프레임의 타단 사이에서 이동하면서 3D 출력물을 자동으로 배출하는 컨베이어 벨트를 포함한다.

Description

컨베이어 벨트를 이용한 3D 프린터{3D PRINTER USING A CONVEYOR BELT}
본 발명의 실시예들은 3D 프린터 기술과 관련된다.
최근, 3D 프린터를 이용한 다양한 3차원 형상의 출력물 제작이 늘어남에 따라 3D 프린터에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 3D 프린터는 고온으로 재료를 녹인 후 노즐을 통해 일정 압력으로 압출해가면서 적층하는 방식으로 출력물을 제작한다.
일반적으로, 3D 프린터의 노즐은 베이스 플레이트를 향해 수직하게 배치되어 프린팅 재료를 출력하게 되며 이에 따라 베이스 플레이트의 아래쪽부터 프린팅 재료가 적층되어 3D 출력물이 제작된다.
또한, 종래의 3D 프린터는 고정된 위치의 베이스 플레이트에 프린팅 재료를 수직으로 적층시켜 3D 출력물을 제작한다는 점에서 베이스 플레이트의 면적에 따라 3D 출력물의 규격이 정해지는 문제점이 있었으며, 제작 속도가 느려 대량생산에 적합하지 않다.
한국공개특허공보 제10-2022-0119565(2022.08.30)
본 발명의 실시예들은 컨베이어 벨트를 이용하여 3D 출력물의 제작 과정에서 3D 출력물의 위치를 가변시켜 3D 출력물의 제작 및 배출을 효율적으로 수행하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 소정 간격을 두고 평행하게 이격되면서 지면에 안착되는 복수 개의 제1 프레임; 상기 제1 프레임의 일단에서 상기 제1 프레임과 각각 소정 각도를 이루면서 상기 제1 프레임의 상측으로 연장 형성되는 복수 개의 제2 프레임; 상기 제1 프레임의 타단에서 상기 제1 프레임과 각각 소정 각도를 이루면서 상기 제2 프레임과 연결되는 복수 개의 제3 프레임; 상기 복수 개의 제1 프레임 사이에서 지면과 평행하도록 구비되는 베이스 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트의 상부에 구비되어, 상기 제1 프레임의 일단과 상기 제1 프레임의 타단 사이에서 이동하면서 3D 출력물을 자동으로 배출하는 컨베이어 벨트를 포함하는, 컨베이어 벨트를 이용한 3D 프린터가 제공된다.
상기 컨베이어 벨트를 이용한 3D 프린터는, 상기 복수 개의 제2 프레임 사이에서 상기 복수 개의 제2 프레임 각각에 연결되는 노즐 가이드부; 및 상기 노즐 가이드부에 결합되고, 3D 출력물의 제작을 위해 상기 베이스 플레이트를 향해 프린팅 재료를 출력하는 프린팅 헤드를 더 포함하고, 상기 프린팅 헤드가 상기 노즐 가이드부의 연장 방향을 따라 이동하거나 상기 노즐 가이드부가 상기 제2 프레임의 연장 방향을 따라 이동함으로써 상기 프린팅 재료의 출력 위치가 가변될 수 있다.
상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임은, 45도 각도를 이루도록 구성되며, 상기 프린팅 헤드에서 출력되는 프린팅 재료의 출력방향과 상기 베이스 플레이트는, 45도 각도를 이룰 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 출력물은 프린팅 재료가 수직 방향이 아닌 대각선 방향으로 적층됨으로써 제작될 수 있다. 또한, 이 과정에서 컨베이어 벨트(112)가 일 방향 또는 그 반대 방향으로 실시간으로 이동함으로써 3D 출력물의 제작이 보다 효율적으로 수행될 수 있다. 이 경우, 3D 출력물의 규격에 대한 제한이 불필요하게 되며 제작 속도 또한 종래의 3D 프린터에 비해 현저히 상승하여 3D 출력물의 대량 생산에 용이해진다. 또한, 수직 적층방식이 아닌 대각선 적층방식으로 3D 출력물이 제작됨으로써 3D 출력물의 제작에 필요한 지지대의 소모를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 일 방향에서 바라본 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 다른 방향에서 바라본 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트가 장착된 3D 프린터를 나타낸 예시
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 측면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 정면도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 헤드의 예시
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 출력물이 제작되는 과정을 나타낸 예시
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)를 일 방향에서 바라본 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)를 다른 방향에서 바라본 사시도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트(112)가 장착된 3D 프린터(100)를 나타낸 예시이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)의 측면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)의 정면도이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)는 제1 프레임(102), 제2 프레임(104), 제3 프레임(106), 제4 프레임(108), 베이스 플레이트(110), 컨베이어 벨트(112), 노즐 가이드부(114) 및 프린팅 헤드(116)를 포함한다.
제1 프레임(102)은 3D 프린터(100)의 외형을 이루는 프레임 중 하나로서, 3D 프린터(100)의 바닥 부분에 형성된다. 제1 프레임(102)은 XY 평면 상에 마련될 수 있다. 제1 프레임(102)은 지면에 안착될 수 있으며, 소정 간격을 두고 평행하게 이격되도록 복수 개가 마련될 수 있다. 후술할 바와 같이, 복수 개의 제1 프레임(102) 사이에는 지면과 평행하도록 베이스 플레이트(110)가 하나 이상 구비될 수 있다.
제2 프레임(104)은 3D 프린터(100)의 외형을 이루는 프레임 중 하나로서, Z축 방향으로 연장 형성될 수 있다. 제2 프레임(104)은 제1 프레임(102)의 일단에서 제1 프레임(102)의 상측으로 연장 형성될 수 있다. 이때, 제2 프레임(104)은 제1 프레임(102)의 일단과 수직하게 연장 형성되는 대신 제1 프레임(102)의 일단과 소정 각도를 이루도록 연장 형성될 수 있다. 여기서, 소정 각도는 예를 들어, 45도일 수 있다. 일 예시로서, 제1 프레임(102)과 제2 프레임(104)은 상호 연결되어 45도 각도를 이룰 수 있다.
또한, 제2 프레임(104)의 내측에는 제1 가이드 레일이 형성될 수 있다. 후술할 바와 같이, 노즐 가이브부(114)는 상기 제2 프레임(104)의 내측에 마련된 제1 가이드 레일을 따라 이동할 수 있으며 이에 따라 프린팅 헤드(116)의 위치 및 베이스 플레이트(110)로부터의 거리(높이)가 가변될 수 있다.
제3 프레임(106)은 3D 프린터(100)의 외형을 이루는 프레임 중 하나로서, Z축 방향으로 연장 형성될 수 있다. 제3 프레임(106)은 제1 프레임(102)의 타단에서 제1 프레임(102)의 상측으로 연장 형성될 수 있다. 이때, 제3 프레임(106)은 제1 프레임(102)의 타단에서 제1 프레임(102)과 각각 소정 각도를 이루면서 제2 프레임(104)과 연결될 수 있다. 여기서, 소정 각도는 예를 들어, 45도일 수 있다. 일 예시로서, 제1 프레임(102)과 제3 프레임(106)은 상호 연결되어 45도 각도를 이룰 수 있다. 즉, 제1 프레임(102), 제2 프레임(104) 및 제3 프레임(106)은 삼각 형태로 상호 연결될 수 있으며, 이 경우 제2 프레임(104)과 제3 프레임(106) 간의 각도는 90도가 될 수 있다.
제4 프레임(108)은 3D 프린터(100)의 외형을 이루는 프레임 중 하나로서, 3D 프린터(100)의 최상층에 구비된다. 제4 프레임(108)은 제2 프레임(104)과 제3 프레임(106)이 만나는 지점에서 형성되고, 복수 개의 제2 프레임(104) 사이에서 상기 복수 개의 제2 프레임(104)과 각각 연결되며 복수 개의 제3 프레임(106) 사이에서 상기 복수 개의 제3 프레임(106)과 각각 연결될 수 있다. 제4 프레임(108)은 제2 프레임(104) 및 제3 프레임(106)과 각각 연결되어 이들을 지지하며, 이에 따라 3D 프린터(100)의 안정성이 더욱 향상될 수 있다.
여기서, 제1 프레임(102), 제2 프레임(104), 제3 프레임(106) 및 제4 프레임(108)은 브라켓에 볼트/너트가 결합되는 방식으로 상호 연결, 체결될 수 있으나 제1 프레임(102), 제2 프레임(104), 제3 프레임(106) 및 제4 프레임(108) 간의 연결 및 체결 방식이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
베이스 플레이트(110)는 3D 출력물을 지지하기 위한 판으로서, 복수 개의 제1 프레임(102) 사이에서 지면과 평행하도록 구비된다. 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(110)는 소정 면적을 가지는 하나 이상의 판으로 이루어지며, 복수 개의 제1 프레임(102) 사이에서 지면과 평행하도록 구비될 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예들에 따른 3D 출력물은 고정된 위치의 베이스 플레이트(110)에 직접적으로 안착되는 것이 아니라 후술할 컨베이어 벨트(112)에 안착되어 3D 출력물의 제작 과정에서 그 위치가 가변될 수 있다.
컨베이어 벨트(112)는 3D 출력물이 직접적으로 안착되는 부분으로서, 베이스 플레이트(110)의 상부에 마련될 수 있다. 컨베이어 벨트(112)는 제1 프레임(102)의 일단과 제1 프레임(102)의 타단 사이에서 이동 가능하도록 구비될 수 있다. 이를 위해, 컨베이어 벨트(112)의 양 끝단에는 컨베이어 벨트(112)의 이동을 위한 풀리(pulley)가 마련될 수 있다. 컨베이어 벨트(112)는 양 끝단의 풀리가 회전하면서 일 방향으로 이동할 수 있다. 컨베이어 벨트(112)는 3D 출력물의 제작 과정에서 그 진행상태에 따라 이동방향 및 속도가 제어되도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 프린팅 재료가 3D 출력물에 적층되는 위치가 자동으로 제어될 수 있다. 또한, 3D 출력물은 그 제작이 완성되는 경우 컨베이어 벨트(112)에 의해 3D 프린터(100)의 외부로 자동으로 배출될 수 있으며, 이에 따라 다음 3D 출력물의 작업을 보다 신속하게 진행할 수 있다. 나아가, 컨베이어 벨트(112)에 의해 3D 출력물의 작업 위치가 실시간으로 이동 및 변동되므로, 3D 출력물의 크기가 베이스 플레이트(110)의 크기보다 작아야 할 필요가 없다.
노즐 가이드부(114)는 프린팅 헤드(116)의 위치를 가이드하기 위한 구성으로서, 복수 개의 제2 프레임(104) 사이에서 상기 복수 개의 제2 프레임(104) 각각에 연결된다. 노즐 가이드부(114)는 양 끝단이 제2 프레임(104)의 내측에 형성된 제1 가이드 레일에 장착될 수 있다. 노즐 가이브부(114)는 상기 제2 프레임(104)의 내측에 마련된 제1 가이드 레일을 따라 이동할 수 있으며 이에 따라 프린팅 헤드(116)의 위치 및 베이스 플레이트(110)로부터의 거리(높이)가 가변될 수 있다.
또한, 노즐 가이드부(114)의 일측에도 프린팅 헤드(116)의 위치를 가이드하기 위한 제2 가이드 레일이 마련될 수 있다. 프린팅 헤드(116)는 상기 제2 가이드 레일에 장착될 수 있으며, 제2 가이드 레일을 따라 이동할 수 있다. 이 경우, 프린팅 헤드(116)는 베이스 플레이트(110)로부터의 거리(높이)를 일정하게 유지한 채 복수 개의 제2 가이드 레일(104) 사이에서 이동할 수 있다.
프린팅 헤드(116)는 노즐 가이드부(114)에 결합되어 3D 출력물의 제작을 위해 베이스 플레이트(110)(또는 컨베이어 벨트(112))를 향해 프린팅 재료를 출력한다. 여기서, 프린팅 재료는 예를 들어 PLA(Poly Lactic Acid), ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) 등과 같은 필라멘트일 수 있다. 상기 프린팅 재료는 펠렛(pellet) 형태의 원료로부터 생성되며, 히팅 수단에 의해 가열되어 용융된 상태로 프린팅 헤드(116)를 통해 배출될 수 있다. 프린팅 헤드(116)는 끝단에 프린팅 재료의 배출을 위한 노즐을 구비하며, 상기 노즐을 통해 프린팅 재료를 배출할 수 있다. 프린팅 헤드(116)는 노즐 가이드부(114)에 결합되어 그 위치 및 높이가 변동될 수 있다. 일 예시로서, 노즐 가이드부(114)가 제2 프레임(104)의 연장 방향을 따라 이동(즉, 노즐 가이드부(114)가 제1 가이드 레일을 따라 이동)하거나 프린팅 헤드(116)가 노즐 가이드부(114)의 연장 방향을 따라 이동(즉, 프린팅 헤드(116)가 제2 가이드 레일을 따라 이동)하는 경우, 프린팅 헤드(116)의 위치 및 높이가 변동될 수 있다. 이러한 프린팅 헤드(116)의 위치 및 높이는 3D 출력물의 제작상태 또는 진행상황에 따라 실시간으로 변화할 수 있으며, 이는 별도의 구동부(미도시)의 제어에 따라 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 헤드(116)의 예시이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 프린팅 헤드(116)는 그 끝단이 베이스 플레이트(110) 및 컨베이어 벨트(112)를 향하도록 이루어지되, 수직 방향이 아닌 대각선 방향으로 구성될 수 있다. 일 예시로서, 프린팅 헤드(116)에서 출력되는 프린팅 재료의 출력방향과 베이스 플레이트(110) 및 컨베이어 벨트(112)는 45도 각도를 이룰 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 출력물이 제작되는 과정을 나타낸 예시이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 출력물은 프린팅 재료가 수직 방향이 아닌 대각선 방향으로 적층됨으로써 제작될 수 있다. 또한, 이 과정에서 컨베이어 벨트(112)가 일 방향 또는 그 반대 방향으로 실시간으로 이동함으로써 3D 출력물의 제작이 보다 효율적으로 수행될 수 있다. 이 경우, 3D 출력물의 규격에 대한 제한이 불필요하게 되며 제작 속도 또한 종래의 3D 프린터에 비해 현저히 상승하여 3D 출력물의 대량 생산에 용이해진다. 또한, 수직 적층방식이 아닌 대각선 적층방식으로 3D 출력물이 제작됨으로써 3D 출력물의 제작에 필요한 지지대의 소모를 최소화할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 전술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 3D 프린터
102 : 제1 프레임
104 : 제2 프레임
106 : 제3 프레임
108 : 제4 프레임
110 : 베이스 플레이트
112 : 컨베이어 벨트
114 : 노즐 가이드부
116 : 프린팅 헤드

Claims (3)

  1. 소정 간격을 두고 평행하게 이격되면서 지면에 안착되는 복수 개의 제1 프레임;
    상기 제1 프레임의 일단에서 상기 제1 프레임과 각각 소정 각도를 이루면서 상기 제1 프레임의 상측으로 연장 형성되는 복수 개의 제2 프레임;
    상기 제1 프레임의 타단에서 상기 제1 프레임과 각각 소정 각도를 이루면서 상기 제2 프레임과 연결되는 복수 개의 제3 프레임;
    상기 복수 개의 제1 프레임 사이에서 지면과 평행하도록 구비되는 베이스 플레이트; 및
    상기 베이스 플레이트의 상부에 구비되어, 상기 제1 프레임의 일단과 상기 제1 프레임의 타단 사이에서 이동하면서 3D 출력물을 자동으로 배출하는 컨베이어 벨트를 포함하는, 컨베이어 벨트를 이용한 3D 프린터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 개의 제2 프레임 사이에서 상기 복수 개의 제2 프레임 각각에 연결되는 노즐 가이드부; 및
    상기 노즐 가이드부에 결합되고, 3D 출력물의 제작을 위해 상기 베이스 플레이트를 향해 프린팅 재료를 출력하는 프린팅 헤드를 더 포함하고,
    상기 프린팅 헤드가 상기 노즐 가이드부의 연장 방향을 따라 이동하거나 상기 노즐 가이드부가 상기 제2 프레임의 연장 방향을 따라 이동함으로써 상기 프린팅 재료의 출력 위치가 가변되는, 컨베이어 벨트를 이용한 3D 프린터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임은, 45도 각도를 이루도록 구성되며,
    상기 프린팅 헤드에서 출력되는 프린팅 재료의 출력방향과 상기 베이스 플레이트는, 45도 각도를 이루는, 컨베이어 벨트를 이용한 3D 프린터.
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