WO2017122942A1 - 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재의 토출을 제어하는 헤드 유닛 및 헤드 서플라이 유닛 - Google Patents

형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재의 토출을 제어하는 헤드 유닛 및 헤드 서플라이 유닛 Download PDF

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WO2017122942A1
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head
unit
pipe
roller
head unit
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만손얀-안데르스
고대화
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주식회사 키스타
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Definitions

  • the present invention relates to a head unit and a head supply unit for controlling the discharge of a material made of a formable plastic material, and more particularly, to form a material that can smoothly discharge the material to the outside, while continuously controlling the temperature of the material
  • 3D printing or 3D molding has been in the spotlight because it can reduce the amount of raw materials used in lightweight composite material and improve mechanical performance.
  • the lamination speed has also been improved to allow it to function as part of an automated process.
  • the additive processing technology has great potential in that it can be extended not only to the automotive parts market but also to various fields such as aircraft, electronic parts, consumer electronics, sports goods, and building materials. However, more research and development is required to produce sophisticated skeletal structures in a cost-effective manner.
  • the additive manufacturing apparatus for manufacturing the inner skeleton uses raw materials of thin and long strands, which are mostly made of materials that are easily solidified, cured or degraded. There is a need for a technique for preventing the raw material from hardening, hardening or deterioration until it passes through the inside of the additive processing apparatus and is discharged to the outside.
  • the additive manufacturing apparatus performs free trajectory movements (eg, rotational, linear or curved movements) in order to produce shapes of various complex structures, in which, due to its geometrical characteristics, the additive machining is performed in a wide range of joint motions.
  • free trajectory movements eg, rotational, linear or curved movements
  • the tension of the raw material is difficult to be kept constant while passing through the device.
  • the tension of the raw material is too strong, it may lead to failure of the lamination processing equipment. If the tension of the raw material is too weak, it is difficult to control the discharge speed and position of the raw material.
  • Korean Patent Publication No. 10-1198621 name of the invention: a plastic composite bumper beam for automobiles discloses a bumper beam having an insert reinforcement inserted therein.
  • the description regarding the manufacturing apparatus for manufacturing the bumper beam with the inserted insert reinforcement has not been sufficiently disclosed, and no clue can be found to overcome the above-mentioned problems.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to discharge a material at various angles and positions while controlling the temperature of a material made of a formable plastic material which can be easily hardened, cured or degraded.
  • a head unit and a head supply unit can be provided.
  • a head unit according to the present invention for achieving the above object is a head unit for discharging a material made of a formable plastic material, the head pipe for guiding the movement of the material; A head heater surrounding a part or the whole of the head pipe, and controlling a temperature of the material moving in the head pipe; And a discharge port provided at one end of the pipe to discharge the material to the outside.
  • the head supply unit for achieving the above object, the inlet for entering the material made of a formable plastic material; An inlet pipe for guiding the material introduced through the inlet; A head supply heater that regulates the temperature of the material passing through the inlet pipe; And a head fastening part for fastening the head unit for discharging the material.
  • the head unit and the head supply unit for controlling the discharge of the material made of the formable plastic material of the present invention according to the above configuration, it is possible to perform a smooth discharge by controlling the temperature of the material that can be easily hardened, cured or deteriorated
  • the material can be discharged at various positions and angles, thereby making it possible to produce more complex and sophisticated 3D solid objects.
  • FIG. 1A is a perspective view of a 3D stereoscopic manufacturing robot 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a perspective view of a 3D stereoscopic manufacturing robot 100 according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a head unit 200 and a head supply unit 400 which are one component of a 3D solid object manufacturing robot 100 according to the present invention.
  • FIG. 3A is a 3D solid body manufacturing robot according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 100 it is a figure which shows the movement path of a raw material.
  • 3B is a view illustrating a movement path of a material in the 3D solid-state manufacturing robot 100 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG 4 is a cross-sectional view of the head unit 200 as one component of the 3D stereoscopic manufacturing robot 100 according to the present invention.
  • 5 to 7 show the rotation of the head unit 200 by the wheel assembly 220.
  • FIG. 8A is a schematic diagram of a transformer unit 300 which is one configuration of the manufacturing robot 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a schematic diagram of a transformer unit 300 which is one configuration of the manufacturing robot 100 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9 to 11 are diagrams illustrating the rotation or movement of the head unit 200 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG 12 and 13 illustrate rotation or movement of the head unit 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1A and 1B are perspective views of a 3D solid object manufacturing robot 100 according to each embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a head unit 200 and a head supply unit which are one component of the 3D solid object manufacturing robot 100 according to the present invention.
  • the 3D solid-state manufacturing robot 100 according to each embodiment of the present invention includes a head unit 200 and a transformer unit 300. And a head supply unit 400 and a body unit 500.
  • the body unit 500 includes a rotation base 510 and a connecting arm 520.
  • the rotation base 510 has a rotational movement F-F 'on a horizontal plane about the rotation axis 501a.
  • One end of the connection arm 520 is connected to the rotation base 510, and the other end of the connection arm 520 is connected to the head supply unit 400.
  • connection arm 520 and the head supply unit 400, and the connection arm 520 and the rotation base 510 may be connected by a pivotable member such as a pivot hinge or a shaft, but are not limited thereto. .
  • connection arm 520 is rotatably connected to the rotating base 510.
  • the connection arm 520 rotates around the connection axis 501b of the portion where the connection arm 520 and the rotation base 510 are connected to each other.
  • the other end of the connecting arm 520 is rotatably connected to the head supply unit 400.
  • the connecting arm 520 is a member in the longitudinal direction, and adjusts the height of the head supply unit 400 with respect to the horizontal plane.
  • the head supply unit 400 performs a rotational motion D-D 'about the connection shaft 401a of the portion where the connection arm 520 and the head supply unit 400 are interconnected.
  • the head supply unit 400 makes a rotational movement (C-C ') about the longitudinal axis. At this time, as the head supply unit 400 rotates, the transformer unit 300 and the head unit 100 connected to the head supply unit 400 also rotate in association with each other.
  • a rotating member (not shown) may be included to plan the rotation of the head supply unit 400, which may be implemented by various known rotating devices.
  • the head unit 200 is connected to the head supply unit 400.
  • the head unit 200 is connected to the head fastening part 440 provided in the head supply unit 400.
  • the head unit 200 performs a rotational motion B-B 'about the connection shaft 401b of the portion where the head unit 200 and the head fastening part 440 are interconnected.
  • the rotational movement B-B 'of the head unit 200 is adjusted by the operation of the transformer unit 300 as shown in FIG. 1A. That is, the head unit 200 is connected to the transformer unit 300, the head unit 200 and the transformer unit 300 located in an area facing each other with respect to the connecting shaft 401b, the opposite direction (for example For example, when one component of the transformer unit 300 descends, the head unit 200 rises, and when one component of the transformer unit 300 rises, the head unit 200 descends. ')
  • the rotational movement B-B 'of the head unit 200 may be performed by the head unit 200 being rotatably connected to the transformer unit 300 as shown in FIG. 1B. That is, the head unit 200 may be rotatably connected about an axis at the front end of the transformer unit 300.
  • the head unit 200 makes a 360 degree rotational movement A-A 'about its longitudinal axis 201a.
  • the head unit 200 is capable of multiple 360 degree rotations (360 °, 720 ° ).
  • a spacer may be provided in the head unit 200 so that the conducting wires included in the head unit 200 are not affected by the rotation of the head unit 200.
  • the 3D solid object manufacturing robot 100 may perform a multi-axis rotational motion.
  • the six-axis rotational motion has been described as possible, but if the tiltable tool table robot, to which the rotation base 510 is coupled, eight-axis rotation is possible.
  • the possible rotation of the 3D stereoscopic manufacturing robot 100 according to the present invention is as follows.
  • First axis rotation A rotation around the longitudinal axis 201a of the head unit 200 (A-A ').
  • Second axis rotation rotation of the head unit 200 controlled by the transformer unit 300 (B-B ').
  • Third axis rotation rotation about the longitudinal axis of the head supply unit 400 (C-C ').
  • 6th axis rotation rotation (F-F ') of the rotation base 510 about the rotation axis 501a perpendicular
  • the operation of the head unit 200 for discharging the formable plastic material can be finely manipulated, thereby making it possible to manufacture a 3D solid object having a more complicated and sophisticated shape.
  • the movement path of the tow 50 is as shown in FIGS. 3A and 3B, It is formed by the internal passage by the connection of the head unit 200, transformer unit 300 and the head supply unit 400.
  • 3D three-dimensional object manufacturing robot 100 including the head unit 200 and the head supply unit 400 according to the present invention, the tow connected to the head supply unit 400, the transformer unit 300 and the head unit 200 It has a built-in structure that includes the movement path of 50 therein.
  • the tow 50 is a continuous strand of polymer material or composite material, yarn, tow, bundle, band, Tape or the like.
  • Polymer materials include thermoplastics such as PLA, PE, PP, PA, ABS, PC, PET, PEI, PEEK, or thermosetting resins such as epoxy, unsaturated polyester, PI, and PUR. (thermosetting resins).
  • the polymer material is not limited thereto.
  • the reinforcing fibers may be GF (glass fiber), CF (carbon fiber), NF (natural fiber), aramid fiber (AF) and the like.
  • a 3D solid body manufacturing robot may be used for texturing yarn or roving.
  • the final composite material is a mixture of fibers in the polymer material
  • the fibers may be glass fibers, carbon fibers, boron fibers, alumina fibers, silicon carbide fibers, aramid fibers, various whiskers or combinations thereof It is not limited to this.
  • the manufacturing apparatus 100 may be infused with a yarn, tow, strand, band or tape. Individual yarns, tows, strands, bands, and tapes may be incorporated into the tow, in whole or in part, in an oven (including collectors, heaters, compressors, etc.).
  • the head supply unit 400, the transformer unit 300 and the head unit 100 finally help to compact and coalesce the tow 50.
  • yarns, strands, tows, bands, tapes, and the like are exemplified as materials of the finally manufactured three-dimensional object. do.
  • the tow 50 is provided through the inlet 430 provided at the end of the inlet pipe 410 of the head supply unit 400. Inflow. Inlet 430 receives the tow from a tow supply unit (not shown) provided on the outside.
  • the tow supply unit (not shown) may be included in the 3D three-dimensional object manufacturing robot 100 including the head unit 200 and the head supply unit 400 according to the present invention.
  • the inlet 430 may be connected to a heater (not shown) provided in the outside to be supplied with temperature controlled air.
  • the temperature controlled air supplied through the inlet 430 prevents the tow 50 from hardening, curing or deteriorating until the tow 50 reaches the inlet 430, and the head unit 200 according to the present invention.
  • the tow 50 passing through the inlet 430 passes through the inlet pipe 410 of the head supply unit 400 to enter the transformer unit 300.
  • the head supply unit 400 includes the heater 420 inside the inflow pipe 410, the tow 50 does not harden, harden, or deteriorate while passing the pipe 410 in the longitudinal direction. It continues to move to the transformer unit 300 in a state.
  • the transformer unit 300 includes a plurality of rollers, which guide the movement of the tow 50.
  • the tow 50 entering the transformer unit 300 through the head supply unit 400 changes its traveling direction while contacting each roller.
  • the traveling path of the tow 50 is defined by the structure or arrangement of the plurality of rollers.
  • the transformer unit 300 for rotating the head unit 200 may not move or rotate the head unit 200 according to the present invention. While adjusting, the arrangement of the plurality of rollers (although not limited to this is illustrated by five rollers in FIG. 3A) is changed. Accordingly, the advancing direction of the tow 50 is changed, and the tension of the tow 50 is also affected.
  • At least one of the plurality of rollers is designed so that the tension of the tow 50 which changes as the tow 50 advances can be kept constant.
  • at least one of the plurality of rollers corresponds to a tension maintaining roller that maintains the tension of the tow 50.
  • the plurality of rollers other than the tension holding rollers guide the progress of the tow 50 and participate in the rotation of the head unit 200.
  • the transformer unit 300 for rotating the head unit 200 moves or rotates the head unit 200
  • the arrangement of the plurality of rollers does not change.
  • at least one of the plurality of rollers is a tension adjusting roller, the tension of the tow 50 can be kept constant.
  • the tow 50 passing through the transformer unit 300 continues to the head unit 200.
  • a coupling 302 is provided at the front end of the transformer unit 300, and the coupling 302 is connected to the coupling 252 located at the end of the head unit 200.
  • the coupling 252 of the head unit 200 and the coupling 302 of the transformer unit 300 may be directly connected to each other, or may be indirectly connected by an appropriate connection member.
  • the tow 50 entering the head unit 200 passes through the head pipe 212 of the head unit 200 and is discharged to the outside.
  • the head pipe 212 which is a cylindrical member in the longitudinal direction is surrounded by the head heater 214.
  • the head heater 214 maintains the head pipe 212 at an appropriate temperature so that the tow 50 passing through the interior of the head pipe 212 does not harden, harden or deteriorate.
  • the 3D solid object manufacturing robot 100 including the head unit 200 according to the present invention includes a plurality of heaters to prevent hardening, hardening and deterioration of the tow 50.
  • the head unit 200 includes a temperature regulated forced air pipe 246 for controlling the temperature of the tow 50 discharged to the outside.
  • the forced air pipe 246 directly or indirectly makes the tow 50 at a desired temperature, and the tow 50 whose temperature is controlled by the forced air pipe 246 can be discharged from the head unit 200 without being coalesced. Will be.
  • 3D three-dimensional object manufacturing robot 100 including the head unit 200 according to the present invention is not limited to a specific temperature or temperature range controlled by a heater or forced air pipe.
  • the temperature of the adjusted tow 50 may be interpreted as a temperature or a temperature range that enables the discharge-free discharge of the tow 50 and / or the required discharge rate.
  • the head unit 200 includes a head body 210, a wheel assembly 220, a spacer 222, and a rotary housing 230 including a head pipe 212 and a head heater 214.
  • the cylinder assembly 240 includes a cylinder roller 242, a cylinder roller bracket 244 and a forced air pipe 246.
  • the above configuration is only a configuration included in the preferred embodiment of the present invention. If the function of the head unit 200 according to the present invention can be maintained, other configurations may be added, and some of the above configurations may be omitted.
  • the head body 210 may be a cylindrical pipe 212 in the longitudinal direction and passes through the transformer unit 300 to guide the movement of the tow 200 entering the head unit 200.
  • the head heater 214 surrounds all or part of the head pipe 212, and adjusts the temperature of the head pipe 212, and further, the temperature of the tow 50 passing through the head pipe 212. That is, the tow 50 passing through the head pipe 212 passes through the inside of the head pipe 212 temperature controlled by the head heater 214, so that it does not harden, harden, or deteriorate, and discharges smoothly to the outside. do.
  • the wheel assembly 220 is provided at a predetermined position of the head body 210.
  • the head unit 200 is provided near the opposite end of the discharge port 250.
  • the wheel assembly 220 enables multiple rotations (360 °, 720 ° ...) of the head body 210.
  • the wheel assembly 220 is composed of a wheel, a flange, a gasket, and the like to rotate the head body 210.
  • the inner lead provided in the head unit 200 may be affected by the rotation of the head body 210.
  • the head unit 200 includes a rotary housing 230 and a spacer 222.
  • the rotary housing 230 is provided with at least one spacer 222 therein, by placing the conductors in the space spaced by the at least one spacer 222, the influence on the conductors (twist, disconnection, etc.) Only the head body 210 itself without rotation.
  • the head unit 200 makes a rotational movement A-A 'about the axis 201a along the longitudinal direction.
  • 5 to 7 illustrate a rotational movement of the head unit 200 by the wheel assembly 220.
  • 5 to 7 illustrate the 3D stereoscopic manufacturing robot 100 according to the first embodiment corresponding to FIG. 1A, the rotational movement of the head unit 200 is performed in the same manner as in the second embodiment. Can be. Therefore, with respect to the rotational motion A-A 'about the axis 201a of the head unit 200, the drawings corresponding to the second embodiment and the description thereof are omitted.
  • the head unit 200 makes multiple rotations (360 °, 720 °%) by itself.
  • the rotary housing 230 and the spacer 222 the inner conductor is not affected by the rotation.
  • the rotation of the head unit 200 does not involve the rotation of the tow 50. That is, the wheel assembly 220 controls the rotation of the head unit 200, but the tow 50 passing through the inside of the head unit 200 may be discharged to the outside without rotating.
  • the rotation of the head unit 200 helps to more precisely manufacture three-dimensional objects of various shapes and structures.
  • the cylinder assembly 240 is fixed to a portion of the head body 210. Preferably, the cylinder assembly 240 is located close to the discharge port 250 from which the tow 50 is discharged.
  • the cylinder assembly 240 linearly reciprocates the cylinder roller bracket 244 using the reciprocating motion of the inner piston. Accordingly, the cylinder roller bracket 244 is a linear reciprocating motion (L-L) along the longitudinal direction of the head unit 200.
  • the cylinder roller 242 has a function of finely guiding the tow 50 discharged.
  • the cylinder roller 244 When the cylinder roller bracket 244 performs a linear reciprocating motion (L-L), the cylinder roller 242 provided at one end of the cylinder roller bracket 244 also performs a linear reciprocating motion (L'-L ').
  • the tow 50 In the absence of the cylinder roller 242, the tow 50 is directly lowered by gravity or adhered to the discharge port 250, so that it is difficult to discharge the tow 50 to a desired position.
  • precise discharge to a desired position is possible, and by using a material made of a formable plastic material, a 3D solid material having a more complicated shape can be obtained. It becomes possible to manufacture.
  • the cylinder assembly 240 has a forced air pipe 246.
  • the forced air pipe 246 has a function of directly or indirectly lowering the temperature of the tow 50 discharged.
  • the forced air pipe 246 provided in the cylinder assembly 240 regulates the configurations of the cylinder assembly 240, that is, the temperature of the inner piston (not shown), the cylinder roller bracket 244 and the cylinder roller 242. .
  • the forced air pipe 246 adjusts the temperature of the cylinder roller 242 in contact with one end and the temperature of the tow 50 guided by the cylinder roller 242. More specifically, when the cylinder roller 242 advances (forwards in the advancing direction of the tow 50) according to the internal piston movement of the cylinder assembly 240, it passes through the pipe 212 of the head unit 200 and discharges out. The tow 50 exiting the 250 is in contact with the cylinder roller 242 while the final discharge direction is guided.
  • the temperature of the tow 50 in contact with the cylinder roller 242 whose temperature is controlled by the forced air pipe 246 is also adjusted to a temperature suitable for smooth discharge.
  • the tow 50 can be precisely discharged to the desired position because the tow 50 is guided by the cylinder roller 242 without free fall while exiting the discharge port 250.
  • the tow 50 whose temperature is controlled by the forced air pipe 246 may be smoothly discharged without being adhered to the discharge port 250 or the cylinder roller 242.
  • transformer unit 300 that controls the rotation of the head unit 200 will be briefly described.
  • FIG. 8A illustrates a configuration of a transformer unit 300 that facilitates rotation of the head unit 200 according to an embodiment of the present invention, and the transformer unit 300 is included in the head supply unit 400 according to the present invention. Or connected.
  • the transformer unit 300 includes a plurality of rollers. In FIG. 8A, assuming that a total of five rollers is included, a smaller number of rollers may be included in another embodiment, and a larger number of rollers may be included in another embodiment.
  • At least two or more rollers of the first to fifth rollers 311 to 315 are connected by wires (not shown) to keep the distance between the first to fifth rollers 311 to 315 constant. Accordingly, the movement path of the tow 50 formed on the first to fifth rollers 311 to 315 can be maintained at a constant length.
  • the first to fifth rollers 311 to 315 define a movement path of the tow 50.
  • the transformer unit Structural stability of the 300 is achieved, and the overall length of the tow 50 passing through the transformer unit 300 is constant.
  • a wire (not shown) is fastened to a wire engaging portion (not shown) provided in the second to fifth rollers 312 to 315, so that the length of each roller becomes constant.
  • the shape can be changed in conjunction with the position change of the first to fifth rollers (311 to 315).
  • the relative position of the second roller 312 relative to the first roller 311 and the relative position of the first roller 311 relative to the second roller 312 are constant. That is, the arrangement (separation distance and angle) of the first roller 311 and the second roller 312 with respect to each other does not change.
  • the relative position of the fifth roller 315 relative to the third roller 313 and the relative position of the third roller 313 relative to the fifth roller 315 are constant. That is, the arrangement (separation distance and angle) of the third roller 313 and the fifth roller 315 with respect to each other does not change.
  • the fourth roller 314 positioned between the third roller 313 and the fifth roller 315 also has a relative position with respect to the third roller 313 and the fifth roller 315, but the fourth roller 314 is fourth.
  • the position of the roller 314 may be variable within a predetermined range.
  • first roller 311 and the second roller 312 move in one unit
  • third to fifth rollers 313 to 315 also move in one unit
  • the second roller 312 and the third roller 313 are connected by the connecting member 350.
  • the third and fourth rollers 313 and 314 When the part of the transformer unit 300 (the area including the third to fifth rollers) is rotated around the fifth roller 315, the third and fourth rollers 313 and 314 also have a constant separation distance and angle. Rotate while holding.
  • the change in position of the second roller 312 is accompanied by a change in position of the first roller 311 disposed with a constant separation distance and angle.
  • Positional changes of the first and second rollers 311 and 312 according to the rotation of the fifth roller 315 are connected by the movement of the head unit 200. This is because the coupling 252 of the head unit 200 is connected with the coupling 302 of the transformer unit 300, and the coupling 302 of the transformer unit 300 is in close proximity to the first roller 311. Because it is fixed. That is, the distance and the arrangement angle between the coupling 302 and the first roller 311 of the transformer unit 300 are constant.
  • the head unit 200 is connected to the head fastening part 440 of the head supply 400, the head unit 200 is formed around the head fastening part 440 and the connecting shaft 401b of the head unit 200. 200 and a portion of the transformer unit 300 (the area including the first and second rollers) make relative motion.
  • the principle of the lever, the head fastening portion 440 and the connecting shaft 401b of the head unit 200 is the support point, the area where the first roller 311 of the transformer unit 300 is located is the power point, the head unit 200 ) Is the point of action.
  • the head fastening part 440 forms a receiving space in which the transformer unit 300 is accommodated, and the transformer unit 300 is within a length fixed by the head fastening part 440, and the Control the movement or rotation.
  • the length of the head fastening part 440 is constant, and the transformer unit 300 for controlling the operation of the head unit 100 is located inside the head fastening part 440. Therefore, the transformer unit 300 according to the present invention is provided at a limited distance (the length of the head fastening part 440), thereby enabling the movement of the head unit 200, and accordingly, the 3D stereoscopic manufacturing robot ( 100) can be made more compact.
  • the transformer unit 300 shown in FIG. 8B includes a plurality of rollers as in the first embodiment.
  • a description will be made that it includes a total of four rollers.
  • fewer rollers may be included, and in another embodiment, more rollers may be included.
  • At least two or more of the first to fourth rollers 381 to 384 are fixed in position. Accordingly, the movement path of the tow 50 formed on the first to fourth rollers 381 to 384 can be maintained at a constant length.
  • the first to fourth rollers 381 to 384 define a moving path of the tow 50.
  • the transformer unit Structural stability of the 300 is achieved, and the overall length of the tow 50 passing through the transformer unit 300 is constant.
  • each roller is fixed by a wire (not shown) fastened to a wire catching portion (not shown) on one side of the first to fourth rollers 381 to 384. And the spacing or length between each roller can be kept constant.
  • each roller 381 to 384 with respect to each other is constant.
  • the first roller 381 may be located adjacent to the fastening area to which the head fastening portion 440 of the head unit 200 and the head supply 400 is connected.
  • the head unit 200 may be mounted in the fastening area, and may rotate in the B-B 'direction about the rotation shaft 401b (see FIG. 1B).
  • At least one of the first to fourth rollers 381 to 384 functions as a tension adjusting roller having a function of adaptively adjusting the tension of the tow 50 passing through the transformer unit 300.
  • the third roller 383 is shown as having an adaptive tension adjustment function of the tow 50. However, another roller may perform such a function, and a tension roller may be provided separately.
  • each of the rollers 381 to 384 provided in the transformer unit 300 defines a movement path of the tow 50.
  • the tow 50 enters the transformer unit 300 and is guided by the first to fourth rollers 381 to 384 to proceed to the head unit 200.
  • the tow 50 advances to the head unit 200 while changing a traveling direction while contacting a portion of the circumferential surface of each of the first to fourth rollers 381 to 384.
  • the tension of the tow 50 passing through the first to fourth rollers 381 to 384 may change (increase or decrease).
  • the third roller 383, which is a tension adjusting roller having a function of adjusting the tension of the tow 30, may include an elastic member 388.
  • the third roller 383 can be moved within a predetermined distance by the elastic member 388.
  • one end of the elastic member 388 is connected to the center of the third roller 383, which is an adaptive tension adjusting roller, and the other end of the elastic member 388 is inside the transformer unit 300. Is fixed to. In FIG. 8B, the other end of the elastic member 388 is fixed to the center of the fourth roller 384, but may be fixed to a different area.
  • the third roller 383 keeps the tension of the tow 50 constant by moving the position within a predetermined distance in response to the tension change of the tow 50 while passing through the transformer unit 300.
  • the tow 50 corresponds to the tension change of the tow 50. It is possible to constantly adjust the tension of the tow 50.
  • the elastic member 388 is mentioned as a means for enabling the positional movement of the third roller 383, which is an adaptive tension adjusting roller, but may be provided with other means.
  • the internal components of the transformer unit 300 may be isolated and protected from the outside by a cover (not shown).
  • FIG 9 to 11 illustrate the rotation or movement of the head unit 200 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 illustrates a case in which the configuration of the transformer unit 300 is located in the state of FIG. 8A.
  • the head unit 200 is placed on an extension line in a direction substantially parallel to the horizontal plane, that is, the length direction of the head supply 400.
  • FIG. 10 the case where the area provided with the third to fifth rollers 313 to 315 of the transformer unit 300 is rotated downward with respect to the fifth roller 314 is illustrated in FIG. 10 and rotated upward.
  • FIG. 10 the case is shown in FIG.
  • the third to fifth rollers 313 to 315 since the third to fifth rollers 313 to 315 are included in the same member, the third to fifth rollers 313 to 315 may move in one unit.
  • the first and second rollers 311 and 312 are also included in the same member, they can move in one unit.
  • FIG. 10 illustrates a case in which a partial region (the region including the third to fifth rollers) of the transformer unit 300 including the fifth roller 315 is rotated about the fifth roller 315.
  • Rotation of the partial region (the region including the third to fifth rollers) of the transformer unit 300 around the fifth roller 315 connects the third roller 313 and the second roller 312.
  • the member 350 is raised to move another region (the region including the first and second rollers) of the transformer unit 300. If another area (the area including the first and second rollers) rises, it causes the movement or rotation of the head unit 200 connected to the another area. Specifically, the head unit 200 on the opposite side of the another area with respect to the connecting shaft 401b is directed downward.
  • FIG. 11 illustrates a case in which a partial region (the region including the third to fifth rollers) of the transformer unit 300 including the fifth roller 315 is rotated in the opposite direction of FIG. 10.
  • Rotation of the partial region (the region including the third to fifth rollers) of the transformer unit 300 around the fifth roller 315 connects the third roller 313 and the second roller 312.
  • the member 350 is pulled down to move another region (the region including the first and second rollers) of the transformer unit 300. If another area (the area including the first and second rollers) descends, it causes the movement or rotation of the head unit 200 connected to the another area. Specifically, the head unit 200 on the opposite side of the another area with respect to the connecting shaft 401b is facing upward.
  • the transformer unit 300 uses the plurality of rollers 311 to 315 to rotate the head unit 200 while deforming the shape in a limited space (within the length range defined by the head fastening unit 440). In this case, the 3D stereoscopic manufacturing robot 100 can be made compact.
  • FIGS. 12 and 13 a rotation / movement operation of the head unit 200 according to the second embodiment will be described.
  • 12 shows a state in which the head unit 200 lies on an extension line in a direction substantially parallel to the horizontal plane, that is, in the longitudinal direction of the head supply 400. Unlike the first embodiment, the rotation of the head unit 200 does not affect the respective rollers 381 to 384 provided in the transformer unit 300. 13 illustrates a case in which the head unit 200 is rotated vertically downward. 12 and 13, in the second embodiment, the head unit 200 is rotatably fixed by the head fastening portion 440, the interconnection of the head unit 200 and the transformer 300 is tow 50 ) To form a movement path.
  • the transformer unit 300 maintains a constant tension of the tow 50 by using a plurality of rollers 381 to 384, and the head unit 300 is connected to the head fastening part 440 to be easily rotatable. do.
  • the present invention can be variously applied to an apparatus having a head unit for controlling the ejection of a material made of a plastic material.
  • the present invention can be applied to an apparatus having a head unit that controls the discharge of a material made of a formable plastic material, which can smoothly discharge the material to the outside while continuously controlling the temperature of the material.

Abstract

헤드 유닛 및 헤드 서플라이 유닛이 제공된다. 본 발명에 따른 헤드 유닛은, 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재를 토출하는 헤드 유닛으로서, 소재의 이동을 가이드하는 헤드 파이프; 헤드 파이프의 일부 또는 전체를 둘러싸며, 헤드 파이프 내에서 이동 중인 상기 소재의 온도를 조절하는 헤드 히터 및 파이프의 일단에 구비되어, 소재를 외부로 토출시키는 토출구를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 헤드 서플라이 유닛은, 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재가 유입되는 유입구, 유입구를 통해 유입된 소재를 가이드하는 유입 파이프, 유입 파이프 내를 통과하는 상기 소재의 온도를 조절하는 헤드 서플라이 히터 및 소재를 토출하는 헤드 유닛을 체결하기 위한 헤드 체결부를 포함한다. 이에 의하여, 쉽게 굳어지거나 경화되거나 열화될 수 있는 소재의 온도를 제어함으로써 원활한 토출을 수행할 수 있고, 다양한 위치와 각도로 소재를 토출할 수 있어서, 더욱 복잡하고 정교한 3D 입체물을 제조할 수 있게 된다.

Description

형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재의 토출을 제어하는 헤드 유닛 및 헤드 서플라이 유닛
본 발명은 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재의 토출을 제어하는 헤드 유닛 및 헤드 서플라이 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 소재의 온도를 지속적으로 제어하면서, 소재를 외부로 원활히 토출시킬 수 있는, 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재의 토출을 제어하는 헤드 유닛 및 헤드 서플라이 유닛에 관한 것이다.
최근, 플라스틱 복합소재를 이용하여 강도와 내구성을 보강하기 위한 내부 보강재(reinforcement)를 제조하는 기술이 이용되고 있다. 적층 가공(additive manufacturing) 장치 및 폴리머/복합재의 내부 보강재와 같은 내부 골격 제조 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이를 이용하면, 경량 복합 소재 입체물의 원재료 사용량은 줄이면서도 기계적 성능을 높일 수 있다는 점에서 3D 프린팅이나 3D 몰딩이 각광받고 있다. 특히, 적층 가공 속도도 개선되어 자동화 공정의 일부로서 기능할 수 있게 되었다.
적층 가공 기술은 자동차 부품 시장뿐만 아니라, 항공기, 전자부품, 가전제품(consumer electronics), 스포츠 용품(sporting goods), 건축소재 등 다양한 분야로 확장될 수 있다는 점에서 잠재적 가치가 매우 높다. 하지만, 비용면에서 효율적인 방식으로 정교한 골격 구조를 제조하기 위해서는 더욱 많은 연구개발이 이루어져야 한다.
특히, 내부 골격을 제조하는 적층 가공 장치는, 가늘고 길게 이어진 스트랜드의 원재료를 사용하는데, 이 원재료는 대부분 쉽게 굳어지거나(solidified) 경화되거나(cured) 열화되는(degraded) 물질로 이루어지기 때문에, 원재료가 적층 가공 장치의 내부를 통과하여 외부로 토출될 때까지 원재료가 굳어지거나 경화되거나 열화되지 않도록 하기 위한 기술이 필요하다.
또한, 적층 가공 장치는 다양하고 복잡한 구조의 형상을 제조하기 위해, 자유로운 궤적 운동(예를 들어, 회전, 직선 또는 곡선 운동)을 하게 되는데, 이때, 형상적 특성 때문에, 광범위한 관절 운동을 하는 적층 가공 장치를 통과하는 동안 원재료의 텐션이 일정하게 유지되기 어렵다는 문제점이 있다.
원재료의 텐션이 너무 강하면 적층 가공 장치의 고장을 가져올 수 있고, 원재료의 텐션이 너무 약하면 원재료의 토출 속도와 위치를 제어하기가 어려워진다.
한국등록특허공보 제10-1198621호(발명의 명칭: 자동차용 플라스틱 복합재 범퍼 빔)는 본체 내부에 인서트 보강재가 삽입된 범퍼 빔을 개시하고 있다. 하지만, 인서트 보강재가 삽입된 범퍼 빔을 제조하는 제조 장치와 관련한 설명이 충분한 개시가 이루어지지 않았고, 위에서 언급한 문제점을 극복할만한 단서를 찾을 수 없다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 쉽게 굳어지거나 경화되거나 열화될 수 있는 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재의 온도를 제어하면서, 다양한 각도와 위치로 소재를 토출할 수 있는, 헤드 유닛 및 헤드 서플라이 유닛을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 헤드 유닛은, 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재를 토출하는 헤드 유닛으로서, 상기 소재의 이동을 가이드하는 헤드 파이프; 상기 헤드 파이프의 일부 또는 전체를 둘러싸며, 상기 헤드 파이프 내에서 이동 중인 상기 소재의 온도를 조절하는 헤드 히터; 및 상기 파이프의 일단에 구비되어, 상기 소재를 외부로 토출시키는 토출구;를 포함한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 헤드 서플라이 유닛은, 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재가 유입되는 유입구; 유입구를 통해 유입된 상기 소재를 가이드하는 유입 파이프; 상기 유입 파이프 내를 통과하는 상기 소재의 온도를 조절하는 헤드 서플라이 히터; 및 상기 소재를 토출하는 헤드 유닛을 체결하기 위한 헤드 체결부;를 포함한다.
상기 구성에 따른 본 발명의 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재의 토출을 제어하는 헤드 유닛 및 헤드 서플라이 유닛에 의하면, 쉽게 굳어지거나 경화되거나 열화될 수 있는 소재의 온도를 제어함으로써 원활한 토출을 수행할 수 있고, 다양한 위치와 각도로 소재를 토출할 수 있어서, 더욱 복잡하고 정교한 3D 입체물을 제조할 수 있게 된다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)의 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)의 일구성인 헤드 유닛(200) 및 헤드 서플라이 유닛(400)의 사시도이다.도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)에서, 소재의 이동 경로를 나타내는 도면이다.
도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)에서, 소재의 이동 경로를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)의 일구성인 헤드 유닛(200)의 단면도이다.
도 5 내지 도 7은 휠 어셈블리(220)에 의한 헤드 유닛(200)의 회전을 나타낸다.
도 8a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제조 로봇(100)의 일 구성인 트랜스포머 유닛(300)의 개략도이다.
도 8b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제조 로봇(100)의 일 구성인 트랜스포머 유닛(300)의 개략도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 헤드 유닛(200)의 회전 또는 이동을 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 헤드 유닛(200)의 회전 또는 이동을 나타내는 도면이다.
본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시하기에 충분하도록 상세히 설명된다. 특정 실시예 이외의 다른 실시예는 서로 상이하지만 상호배타적일 필요는 없다. 아울러, 후술의 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아님을 이해해야 한다.
첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대한 상세한 설명은, 그에 수반하는 도면들과 연관하여 읽히게 되며, 도면은 전체 발명의 설명에 대한 일부로 간주된다. 방향이나 지향성에 대한 언급은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 어떠한 방식으로도 본 발명의 권리범위를 제한하는 의도를 갖지 않는다.
구체적으로, "아래, 위, 수평, 수직, 상측, 하측, 상향, 하향, 상부, 하부" 등의 위치를 나타내는 용어나, 이들의 파생어(예를 들어, "수평으로, 아래쪽으로, 위쪽으로" 등)는, 설명되고 있는 도면과 관련 설명을 모두 참조하여 이해되어야 한다. 특히, 이러한 상대어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 장치가 특정 방향으로 구성되거나 동작해야 함을 요구하지는 않는다.
또한, "장착된, 부착된, 연결된, 이어진, 상호 연결된" 등의 구성 간의 상호 결합 관계를 나타내는 용어는, 별도의 언급이 없는 한, 개별 구성들이 직접적 혹은 간접적으로 부착 혹은 연결되거나 고정된 상태를 의미할 수 있고, 이는 이동 가능하게 부착, 연결, 고정된 상태뿐만 아니라, 이동 불가능한 상태까지 아우르는 용어로 이해되어야 한다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 각 실시예에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)의 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)의 일구성인 헤드 유닛(200) 및 헤드 서플라이 유닛(400)의 사시도이다.먼저, 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 각 실시예에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)은 헤드 유닛(head unit)(200), 트랜스포머 유닛(300), 헤드 서플라이 유닛(head supply)(400) 및 바디 유닛(body unit)(500)을 포함한다.
먼저, 바디 유닛(500)은 회전 베이스(510)와 연결암(520)을 포함한다. 회전 베이스(510)는 회전축(501a)을 중심으로, 수평면상에서 회전 운동(F-F')을 한다. 연결암(520)의 일단은 회전 베이스(510)에 연결되고, 연결암(520)의 타단은 헤드 서플라이 유닛(400)에 연결된다.
연결암(520)과 헤드 서플라이 유닛(400), 그리고, 연결암(520)과 회전 베이스(510)는, 피봇힌지나 샤프트와 같이 축을 중심으로 회동 가능한 부재에 의해 연결될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
더욱 구체적으로, 연결암(520)의 일단은 회전 베이스(510)에 대해 회동 가능하게 연결된다. 연결암(520)과 회전 베이스(510)가 상호 연결된 부위의 연결축(501b)을 중심으로, 연결암(520)은 회전 운동(E-E')을 한다.
연결암(520)의 타단은 헤드 서플라이 유닛(400)에 대해 회동 가능하게 연결된다. 연결암(520)은 길이방향의 부재로서, 수평면에 대한 헤드 서플라이 유닛(400)의 높이를 조절한다.
다시 말해, 연결암(520)과 헤드 서플라이 유닛(400)이 상호 연결된 부위의 연결축(401a)을 중심으로, 헤드 서플라이 유닛(400)은 회전 운동(D-D')을 한다.
헤드 서플라이 유닛(400)은 길이방향의 축을 중심으로 회전 운동(C-C')을 한다. 이때, 헤드 서플라이 유닛(400)이 회전함에 따라, 헤드 서플라이 유닛(400)에 연결되어 있는 트랜스포머 유닛(300)과 헤드 유닛(100)도 연동하여 회전하게 된다.
이때, 헤드 서플라이 유닛(400)의 회전을 도모하기 위한 회전 부재(미도시)가 포함될 수 있고, 이는 공지된 다양한 회전장치로 구현될 수 있다.
또한, 헤드 유닛(200)은 헤드 서플라이 유닛(400)에 대해 연결된다. 헤드 유닛(200)은 헤드 서플라이 유닛(400)에 구비된 헤드 체결부(440)에 연결된다. 헤드 유닛(200)과 헤드 체결부(440)가 상호 연결된 부위의 연결축(401b)을 중심으로, 헤드 유닛(200)은 회전 운동(B-B')을 한다.
헤드 유닛(200)의 회전 운동(B-B')은 도 1a에 도시된 바와 같이 트랜스포머 유닛(300)의 동작에 의해 조절된다. 즉, 헤드 유닛(200)은 트랜스포머 유닛(300)과 연결되어 있고, 상기 연결축(401b)을 중심으로 서로 마주보는 영역에 위치한 헤드 유닛(200)과 트랜스포머 유닛(300)은, 반대 방향(예를 들어, 트랜스포머 유닛(300)의 일구성이 하강하면 헤드 유닛(200)이 상승하고, 트랜스포머 유닛(300)의 일구성이 상승하면 헤드 유닛(200)이 하강)으로 수직 회전 운동(B-B')을 한다.
이와 달리, 헤드 유닛(200)의 회전 운동(B-B')은 도 1b에 도시된 바와 같이, 헤드 유닛(200)이 트랜스포머 유닛(300)에 회전 가능하게 연결됨으로써 이루어질 수 있다. 즉, 헤드 유닛(200)은 트랜스포머 유닛(300)의 선단에서, 축을 중심으로 회전 가능하게 연결될 수 있다.
헤드 유닛(200)은 그의 길이 방향의 축(201a)을 중심으로, 360도 회전 운동(A-A')을 한다. 휠 어셈블리에 의하여 헤드 유닛(200)은 멀티플 360도회전(360°,720°…)이 가능하다. 이때, 헤드 유닛(200)에 포함된 도선들이 헤드 유닛(200)의 회전에 영향을 받지 않도록, 헤드 유닛(200)에는 스페이서가 구비될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)은 다축 회전 운동을 할 수 있다. 위의 설명에서는, 6축 회전 운동이 가능한 것으로 설명했지만, 회전 베이스(510)가 결합되는, 틸팅 가능한 툴 테이블(tool table) 로봇을 포함하면, 8축 회전이 가능해진다.
즉, 본 발명에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)의 가능한 회전은 아래와 같다.
제1축 회전: 헤드 유닛(200)의 길이 방향축(201a)을 중심으로 한 회전(A-A').
제2축 회전: 트랜스포머 유닛(300)에 의해 조절되는 헤드 유닛(200)의 회전(B-B').
제3축 회전: 헤드 서플라이 유닛(400)의 길이방향의 축을 중심으로 한 회전(C-C').
제4축 회전: 헤드 서플라이 유닛(400)에 연결된 연결암(520)과의 연결축(401a)을 중심으로 한 헤드 서플라이 유닛(400)의 회전(D-D').
제5축 회전: 연결암(520)에 연결된 회전 베이스(510)의 연결축(501b)을 중심으로 한 연결암(520)의 회전(E-E').
제6축 회전: 수평면에 수직인 회전축(501a)을 중심으로 한 회전 베이스(510)의 회전(F-F').
제7축 및 제8축 회전: 회전 베이스(510)와 결합되는 2축 회전 가능한 툴 테이블(미도시)의 회전.
이에 따라, 형성 가능한 플라스틱 재료를 토출하는 헤드 유닛(200)의 동작을 미세하게 조작할 수 있어, 더욱 복잡하고 정교한 형상의 3D 입체물을 제조하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 헤드 유닛(200) 및 헤드 서플라이 유닛(400)을 포함하는 3D 입체물 제조 로봇(100)에서, 토우(tow)(50)의 이동 경로는, 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 헤드 유닛(200), 트랜스포머 유닛(300) 및 헤드 서플라이 유닛(400)의 연결에 의한 내부 통로에 의해 형성된다.
본 발명에 따른 헤드 유닛(200) 및 헤드 서플라이 유닛(400)을 포함하는 3D 입체물 제조 로봇(100)은, 헤드 서플라이 유닛(400), 트랜스포머 유닛(300) 및 헤드 유닛(200)으로 연결되는 토우(50)의 이동 경로를 내부에 포함하는 빌트인(built-in)구조를 갖는다.
여기서, 토우(50)란, 고분자 재료(polymer material) 또는 복합 재료(composite material)의 연속적으로 이어진 스트랜드(strand), 얀(yarn), 토우(tow), 번들(bundle), 밴드(band), 테이프(tape) 등이다. 고분자 재료로는 PLA, PE, PP, PA, ABS, PC, PET, PEI, PEEK 등의 열가소성 수지(thermoplastics) 혹은 에폭시(epoxy), 불포화 폴리에스터 수지(unsaturated polyester), PI, PUR 등의 열경화성 수지(thermosetting resins)일 수 있다. 하지만, 고분자 물질은 이에 한정되지 않는다. 또한, 보강재(reinforcing fibers)는 는 GF(glass fiber), CF(carbon fiber), NF(natural fiber), AF(aramid fiber) 등일 수 있다. 또한, 3D 입체물 제조 로봇은 직물용 실(textile yarn)이나 로빙(roving)을 위해 이용될 수도 있다.
또한, 최종 복합재 재료는 상기 고분자 재료에 섬유를 혼합한 것으로, 상기 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 보론 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 아라미드 섬유, 각종 휘스커(whisker) 또는 이들의 조합일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
처음에 제조 장치(100)에는 얀, 토우, 스트랜드, 밴드 또는 테이프가 주입될 수 있다. 개별적인 얀, 토우, 스트랜드, 밴드, 테이프는 오븐(oven)(수집기(collector), 히터(heater), 압축기(compactor) 등을 포함)에서 전체적으로 혹은 부분적으로 토우로 합쳐지게 된다. 헤드 서플라이 유닛(400), 트랜스포머 유닛(300) 및 헤드 유닛(100)은 최종적으로 토우(50)를 압밀(compaction)하고 합쳐지게 하는데 도움을 준다.
또한, 본 설명에 있어서는 최종적으로 제조된 입체물의 소재로서, 얀, 스트랜드, 토우, 밴드, 테이프 등을 예시했지만, 이하의 설명에서는 발명을 명확히 이해할 수 있도록 입체물의 소재를 토우로 일관하여 기재하기로 한다.
다시, 도 3a 및 3b를 참조하면서, 토우(50)의 이동 경로에 대해 설명하면, 토우(50)는 헤드 서플라이 유닛(400)의 유입 파이프(410)의 끝단에 구비된 유입구(430)를 통해 유입된다. 유입구(430)는 외부에 구비된 토우 공급부(미도시)로부터 토우를 공급받는다. 물론, 본 발명에 따른 헤드 유닛(200) 및 헤드 서플라이 유닛(400)을 포함하는 3D 입체물 제조 로봇(100) 내에 상기 토우 공급부(미도시)가 포함되어도 무방하다.
또한, 후술하겠지만, 유입구(430)는 외부에 구비된 히터(미도시)와 연결되어 온도 조절된 공기를 공급받을 수 있다. 유입구(430)를 통해 공급된 온도 조절된 공기는, 토우(50)가 유입구(430)에 이를 때까지 토우(50)가 굳어지거나 경화되거나 열화되는 것을 방지하고, 본 발명에 따른 헤드 유닛(200) 및 헤드 서플라이 유닛(400)을 포함하는 3D 입체물 제조 로봇(100)의 내부를 통과하는 토우(50)의 굳어짐, 경화 또는 열화의방지를 돕는다.
유입구(430)를 통과한 토우(50)는 헤드 서플라이 유닛(400)의 유입 파이프(410)를 지나 트랜스포머 유닛(300)으로 진입한다.
이때, 헤드 서플라이 유닛(400)은 유입 파이프(410)의 내부에 히터(420)를 구비하고 있기 때문에, 길이 방향의 파이프(410)를 지나는 동안, 토우(50)는 굳어지거나 경화되거나 열화되지 않은 상태로 트랜스포머 유닛(300)까지 이동을 계속하게 된다.
이하에서 더욱 상세히 설명하겠지만, 트랜스포머 유닛(300)은 복수의 롤러를 구비하며, 상기 복수의 롤러는 토우(50)의 이동을 가이드한다. 헤드 서플라이 유닛(400)을 지나 트랜스포머 유닛(300)에 진입한 토우(50)는, 각각의 롤러와 접촉하면서 진행 방향을 변경한다. 다시 말해, 토우(50)의 진행 경로는 복수의 롤러의 구조나 배치에 의해 정의된다.
이때, 도 3a에 도시된 제1 실시예에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)에서는, 헤드 유닛(200)을 회전시키는 트랜스포머 유닛(300)이 본 발명에 따른 헤드 유닛(200)의 이동이나 회전을 조절하면서, 복수의 롤러(도 3a에서는 5개의 롤러로 도시하지만, 이에 한정되지 않음)의 배치가 변하게 된다. 이에 따라, 토우(50)의 진행 방향이 달라지게 되며, 토우(50)의 텐션 또한 영향을 받게 된다.
다만, 복수의 롤러 중 적어도 하나는, 토우(50)가 진행하면서 변하는 토우(50)의 텐션을 일정하게 유지할 수 있게 설계되어 있다. 구체적으로, 상기 복수의 롤러 중 적어도 하나는 토우(50)의 텐션을 유지하는 텐션 유지용 롤러에 해당한다. 텐션 유지용 롤러를 제외한 나머지 복수의 롤러는, 토우(50)의 진행을 가이드하는 동시에, 헤드 유닛(200)의 회전에 관여한다.
이와 달리, 도 3b에 도시된 제2 실시예에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)에서는, 헤드 유닛(200)을 회전시키는 트랜스포머 유닛(300)이 헤드 유닛(200)을 이동시키거나 회전시킬 때, 복수의 롤러(도 3b에서는 4개의 롤러로 도시하지만, 이에 한정되지 않음)의 배치가 변하지 않는다. 다만, 복수의 롤러 중 적어도 하나는 텐션 조절용 롤러이기 때문에, 토우(50)의 텐션을 일정하게 유지할 수 있게 된다.
트랜스포머 유닛(300)을 통과한 토우(50)는 헤드 유닛(200)으로 진행을 계속한다. 트랜스포머 유닛(300)의 전단에는 커플링(302)이 구비되며, 상기 커플링(302)은 헤드 유닛(200)의 끝단에 위치한 커플링(252)과 연결된다. 이때, 헤드 유닛(200)의 커플링(252)과 트랜스포머 유닛(300)의 커플링(302)은 서로 직접 연결될 수도 있고, 적절한 연결 부재에 의해 간접적으로 연결될 수 있다.
헤드 유닛(200)의 내부로 진입한 토우(50)는 헤드 유닛(200)의 헤드 파이프(212)를 통과하여 외부로 토출된다. 이때, 길이 방향의 원통형 부재인 헤드 파이프(212)는 헤드 히터(214)에 의해 둘러싸여 있다. 헤드 히터(214)는 헤드 파이프(212)를 적절한 온도로 유지하여, 헤드 파이프(212)의 내부를 통과하는 토우(50)가 굳어지거나 경화되거나 열화되지 않도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 헤드 유닛(200)을 포함하는 3D 입체물 제조 로봇(100)은, 토우(50)의 굳어짐, 경화 및 열화를 방지하기 위하여 다수의 히터를 구비한다. 다만, 토우(50)가 토출될 때에는 토우(50)의 온도를 적절히 조절할 필요가 있다. 이는, 토우(50)가 토출되는 기판(substrate)에 달라붙거나 굳어지는 것을 방지하는 한편, 토출 위치와 토출률을 조절하는데 필요하다. 토우(50)의 원활한 토출을 위해, 헤드 유닛(200)은 외부로 토출되는 토우(50)의 온도를 조절하기 위한 온도조절 강제공기 파이프(temperature regulated forced air pipe)(246)를 구비한다. 강제공기 파이프(246)는 직간접적으로 토우(50)를 원하는 온도로 만들게 되며, 강제공기 파이프(246)에 의해 온도가 조절된 토우(50)는 유착됨 없이 헤드 유닛(200)으로부터 토출될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 헤드 유닛(200)을 포함하는 3D 입체물 제조 로봇(100)은 히터나 강제공기 파이프에 의해 조절되는 특정 온도나 온도 범위에 한정되지 않는다.
조절된 토우(50)의 온도는, 토우(50)의 유착없는 토출 및/또는 요구되는 토출률을 가능하게 하는 온도 또는 온도 범위로 해석되면 무방하다.
도 4는 본 발명에 따른 헤드 유닛(200)의 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 헤드 유닛(200)은 헤드 파이프(212)와 헤드 히터(214)를 포함하는 헤드 바디(210), 휠 어셈블리(220), 스페이서(222), 로터리 하우징(230), 실린더 어셈블리(240), 토출구(250) 및 커플링(252)을 포함한다. 여기서, 실린더 어셈블리(240)는, 실린더 롤러(242), 실린더 롤러 브라켓(244) 및 강제공기 파이프(246)를 포함한다.
상기 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 포함되는 구성일 뿐이며, 본 발명에 따른 헤드 유닛(200)의 기능을 유지할 수 있다면, 다른 구성이 부가되어도 무방하고, 상기 구성 중 일부가 생략되어도 무방하다.
헤드 바디(210)는 길이 방향의 원통형 파이프(212)일 수 있고, 트랜스포머 유닛(300)을 통과하여, 헤드 유닛(200)으로 진입한 토우(200)의 이동을 가이드한다.
헤드 히터(214)는 헤드 파이프(212)의 전체 혹은 일부를 둘러싸며, 헤드 파이프(212)의 온도, 나아가서는, 헤드 파이프(212)를 통과하는 토우(50)의 온도를 조절한다. 즉, 헤드 파이프(212)를 통과 중인 토우(50)는, 헤드 히터(214)에 의해 온도 조절된 헤드 파이프(212)의 내부를 통과하기 때문에, 굳어지거나 경화되거나 열화되지 않고, 외부로 부드럽게 토출된다.
휠 어셈블리(220)는 헤드 바디(210)의 소정 위치에 구비된다. 바람직하게는, 도 4에 도시된 바와 같이, 헤드 유닛(200)의 토출구(250)의 반대측 끝단 가까이에 구비된다.
휠 어셈블리(220)는 헤드 바디(210)의 멀티플 회전(360°,720°…)을 가능케 한다. 다시 말해, 휠 어셈블리(220)는 휠, 플랜지 및 가스켓 등으로 구성되어, 헤드 바디(210)를 회전시킨다.
이때, 헤드 유닛(200)의 내부에 마련된 내부 도선이, 헤드 바디(210)의 회전에 영향을 받을 수 있다. 이를 방지하기 위해, 헤드 유닛(200)은 로터리 하우징(230) 및 스페이서(222)를 구비한다.
즉, 로터리 하우징(230)은 내부에 적어도 하나의 스페이서(222)를 구비하며, 상기 적어도 하나의 스페이서(222)에 의해 이격된 공간에 도선들을 위치시켜, 도선에의 영향(꼬임, 단선 등) 없이 헤드 바디(210) 자체만 회전시킨다.
휠 어셈블리(220)에 의해, 헤드 유닛(200)은 길이 방향을 따르는 축(201a)을 중심으로 회전 운동(A-A')을 한다. 도 5 내지 도 7은 휠 어셈블리(220)에 의한 헤드 유닛(200)의 회전 운동을 나타낸다. 이때, 도 5 내지 도 7은 도 1a에 대응하는 제1 실시예에 따른 3D 입체물 제조 로봇(100)을 기준으로 도시되었지만, 제2 실시예에서도 동일한 방식으로 헤드 유닛(200)의 회전 운동이 이루어질 수 있다. 따라서, 헤드 유닛(200)의 축(201a)을 중심으로 한 회전 운동(A-A')과 관련해서는, 제2 실시예에 대응하는 도면 및 그 설명을 생략한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 트랜스포머 유닛(300)이나 헤드 서플라이(400)의 도움 없이, 헤드 유닛(200)은 스스로 멀티플 회전(360°,720°…)을 이루게 된다. 물론, 로터리 하우징(230)과 스페이서(222)에 의해, 내부 도선은 회전에 따른 영향을 받지 않는다.
또한, 헤드 유닛(200)의 회전은 토우(50)의 회전을 수반하지 않는다. 즉, 휠 어셈블리(220)는 헤드 유닛(200)의 회전을 조절하지만, 헤드 유닛(200)의 내부를 통과하는 토우(50)는 회전하지 않고, 외부로 토출될 수 있다.
이와 같은, 헤드 유닛(200)의 회전은, 다양한 형상과 구조의 입체물을 더욱 정교하게 제조하는 데 도움을 준다.
실린더 어셈블리(240)는 헤드 바디(210)의 일부에 고정된다. 바람직하게, 실린더 어셈블리(240)는 토우(50)가 토출되는 토출구(250)에 근접하여 위치한다.
실린더 어셈블리(240)는 내부 피스톤의 왕복 운동을 이용하여, 실린더 롤러 브라켓(244)을 직선 왕복 운동시킨다. 이에 따라, 실린더 롤러 브라켓(244)은 헤드 유닛(200)의 길이 방향을 따라 직선 왕복 운동(L-L)하게 된다.
한편, 실린더 롤러 브라켓(244)의 일단에는 실린더 롤러(242)가 구비된다. 실린더 롤러(242)는 토출되는 토우(50)를 정교하게 가이드하는 기능을 가진다.
실린더 롤러 브라켓(244)이 직선 왕복 운동(L-L)을 하게 되면, 실린더 롤러 브라켓(244)의 일단에 구비된 실린더 롤러(242)도 직선 왕복 운동(L'-L')을 수행하게 된다.
실린더 롤러(242)가 없는 경우, 토우(50)는 중력에 의해 바로 하강하거나 토출구(250)에 유착하여, 토우(50)를 원하는 위치로 토출시키기 어렵게 된다. 하지만, 토우(50)의 최종 토출 이동 경로가 실린더 롤러(242)에 의해 가이드되면, 원하는 위치로의 정교한 토출이 가능하여, 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재를 이용하여, 더욱 복잡한 형상의 3D 입체물을 제조할 수 있게 된다.
한편, 실린더 어셈블리(240)는 강제공기 파이프(246)를 구비한다. 위에서 언급했듯이, 강제공기 파이프(246)는 토출되는 토우(50)의 온도를 직간접적으로 하강시키는 기능을 가진다.
실린더 어셈블리(240)에 구비된 강제공기 파이프(246)는 실린더 어셈블리(240)의 구성들, 즉, 내부 피스톤(미도시), 실린더 롤러 브라켓(244) 및 실린더 롤러(242)의 온도를 조절한다. 특히, 강제공기 파이프(246)는 일단에 접촉하고 있는 실린더 롤러(242)의 온도 및 실린더 롤러(242)에 의해 가이드되는 토우(50)의 온도를 조절한다. 더욱 상세하게는, 실린더 어셈블리(240)의 내부 피스톤 운동에 따라 실린더 롤러(242)가 전진(토우(50)의 진행 방향으로 전진)하면, 헤드 유닛(200)의 파이프(212)를 통과하여 토출구(250)를 빠져나온 토우(50)는 실린더 롤러(242)에 접촉하면서 최종 토출 방향이 가이드된다.
이때, 강제공기 파이프(246)에 의해 온도가 조절된 실린더 롤러(242)에 접촉한 토우(50)의 온도도 원활한 토출에 적합한 온도로 조절된다. 다시 설명하면, 토우(50)가 토출구(250)를 빠져나오면서 자유 낙하하지 않고, 실린더 롤러(242)에 의해 진행 경로가 가이드되기 때문에, 토우(50)를 원하는 위치로 정교하게 토출시킬 수 있고, 강제공기 파이프(246)에 의해 온도가 조절된 토우(50)가 토출구(250)나 실린더 롤러(242)에 유착됨이 없이 부드럽게 토출될 수 있다.
다음으로, 헤드 유닛(200)의 회전을 제어하는 트랜스포머 유닛(300)에 대해 간략히 설명하기로 한다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따라, 헤드 유닛(200)의 회전을 도모하는 트랜스포머 유닛(300)의 구성을 나타내며, 트랜스포머 유닛(300)은 본 발명에 따른 헤드 서플라이 유닛(400)에 포함 또는 연결된다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 트랜스포머 유닛(300)은 복수의 롤러를 포함한다. 도 8a에서는, 총 5개의 롤러를 포함하는 것으로 상정하여 설명하지만, 이와 다른 실시예에서는 더 적은 개수의 롤러가 포함될 수 있고, 또 다른 실시예에서는 더 많은 개수의 롤러가 포함될 수도 있다.
제1 내지 제5 롤러(311 내지 315) 중 적어도 2개 이상의 롤러는 와이어(미도시)에 의해 연결되어, 제1 내지 제5 롤러(311 내지 315) 사이의 거리를 일정하게 유지시킨다. 이에 따라, 제1 내지 제5 롤러(311 내지 315)에 형성되는 토우(50)의 이동 경로를 일정한 길이로 유지할 수 있게 된다.
다시 말해, 제1 내지 제5 롤러(311 내지 315)는 토우(50)의 이동 경로를 정의하는데, 제1 내지 제5 롤러(311 내지 315) 사이의 거리가 일정하게 유지됨에 따라, 트랜스포머 유닛(300)의 구조적 안정성이 도모되고, 트랜스포머 유닛(300)을 지나는 토우(50)의 전체 길이가 일정(constant)해진다.
본 실시예에서는, 제2 내지 제5 롤러(312 내지 315)에 구비된 와이어 걸림부(미도시)에 와이어(미도시)가 체결되어, 각 롤러의 길이가 일정해지게 된다.
한편, 트랜스포머 유닛(300)에 구비된 제1 내지 제6 체인(미도시)은, 제1 내지 제5 롤러(311 내지 315)의 위치 변화에 연동하여 형상이 달라질 수 있다.
본 실시예에서, 제1 롤러(311)에 대한 제2 롤러(312)의 상대적 위치, 제2 롤러(312)에 대한 제1 롤러(311)의 상대적 위치는 일정하다. 즉, 제1 롤러(311)와 제2 롤러(312)의 서로에 대한 배치(이격 거리와 각도)는 변하지 않는다.
또한, 제3 롤러(313)에 대한 제5 롤러(315)의 상대적 위치, 제5 롤러(315)에 대한 제3 롤러(313)의 상대적 위치는 일정하다. 즉, 제3 롤러(313)와 제5 롤러(315)의 서로에 대한 배치(이격 거리와 각도)는 변하지 않는다.
이때, 제3 롤러(313)와 제5 롤러(315) 사이에 위치하는 제4 롤러(314)도, 제3 롤러(313) 및 제5 롤러(315)에 대한 상대적 위치가 일정하지만, 제4 롤러(314)는 텐션 조절용 롤러로 동작하는 경우, 소정 범위 내에서 위치가 가변적일 수 있다.
이에 따라, 제1 롤러(311) 및 제2 롤러(312)는 하나의 단위로 움직이고, 제3 롤러 내지 제5 롤러(313 내지 315)도 하나의 단위로 움직이는 것으로 설명될 수 있다. 여기서, 제2 롤러(312)와 제3 롤러(313)는 연결부재(350)에 의해 연결된다.
제5 롤러(315)를 중심으로, 트랜스포머 유닛(300)의 일부(제3 내지 제5 롤러가 포함된 영역)가 회전하게 되면, 제3 및 제4 롤러(313,314)도 일정한 이격거리와 각도를 유지하면서 회전하게 된다.
이에 따라, 연결부재(350)에 의해 제3 롤러(313)와 연결된 제2 롤러(312)의 위치도 변화하게 된다.
제2 롤러(312)의 위치 변화는, 일정한 이격거리와 각도를 가지고 배치된 제1 롤러(311)의 위치변화를 수반한다.
제5 롤러(315)의 회전에 따른 제1 및 제2 롤러(311,312)의 위치 변화는, 헤드 유닛(200)의 움직임으로 연결된다. 이는 헤드 유닛(200)의 커플링(252)은 트랜스포머 유닛(300)의 커플링(302)과 연결되어 있고, 트랜스포머 유닛(300)의 커플링(302)은 제1 롤러(311)와 근접하여 고정되어 있기 때문이다. 즉, 트랜스포머 유닛(300)의 커플링(302)과 제1 롤러(311) 사이의 거리와 배치각도는 일정하다.
또한, 헤드 유닛(200)은 헤드 서플라이(400)의 헤드 체결부(440)에 연결되어 있기 때문에, 헤드 체결부(440)와 헤드 유닛(200)의 연결축(401b)을 중심으로 헤드 유닛(200)과 트랜스포머 유닛(300)의 일부(제1 및 제2 롤러를 포함하는 영역)는 상대적인 운동을 한다.
지레의 원리로 설명하면, 헤드 체결부(440)와 헤드 유닛(200)의 연결축(401b)이 받침점, 트랜스포머 유닛(300)의 제1 롤러(311)가 위치한 영역이 힘점, 헤드 유닛(200)이 작용점이 된다.
제1 롤러(311)가 위치한 트랜스포머 유닛(300)의 영역이 상승 이동(회전)하게 되면, 헤드 유닛(200)은 하강 이동(회전)하게 되고, 제1 롤러(311)가 위치한 트랜스포머 유닛(300)의 영역이 하강 이동(회전)하게 되면, 헤드 유닛(200)이 상승 이동(회전)하게 된다.
즉, 헤드 체결부(440)는 트랜스포머 유닛(300)이 수용되는 수용 공간을 형성하게 되며, 트랜스포머 유닛(300)은 헤드 체결부(440)에 의해 고정된 길이 내에서, 헤드 유닛(200)의 이동 또는 회전을 제어한다.
이때, 헤드 체결부(440)의 길이는 일정하고, 헤드 유닛(100)의 동작을 제어하는 트랜스포머 유닛(300)은, 헤드 체결부(440)의 내부에 위치한다. 따라서, 본 발명에 따른 트랜스포머 유닛(300)은, 제한된 거리(헤드 체결부(440)의 길이)에 구비되어, 헤드 유닛(200)의 이동을 도모할 수 있게 되며, 이에 따라 3D 입체물 제조 로봇(100)을 더욱 컴팩트하게 구성할 수 있게 된다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따라, 트랜스포머 유닛(300)의 세부 구성에 대해 설명한다. 도 8b에 도시된 트랜스포머 유닛(300)은 제1 실시예와 마찬가지로 복수의 롤러를 포함한다. 제2 실시예에서는, 총 4개의 롤러를 포함하는 것으로 상정하여 설명하지만, 이와 다른 실시예에서는 더 적은 개수의 롤러가 포함될 수 있고, 또 다른 실시예에서는 더 많은 개수의 롤러가 포함될 수도 있다.
제1 내지 제4 롤러(381 내지 384) 중 적어도 2개 이상의 롤러는 위치가 고정되어 있다. 이에 따라, 제1 내지 제4 롤러(381 내지 384)에 형성되는 토우(50)의 이동 경로를 일정한 길이로 유지할 수 있게 된다.
다시 말해, 제1 내지 제4 롤러(381 내지 384)는 토우(50)의 이동 경로를 정의하는데, 제1 내지 제4 롤러(381 내지 384) 사이의 거리가 일정하게 유지됨에 따라, 트랜스포머 유닛(300)의 구조적 안정성이 도모되고, 트랜스포머 유닛(300)을 지나는 토우(50)의 전체 길이가 일정(constant)해진다.
특히, 위에서 설명한 제1 실시예에서와 마찬가지로, 제1 내지 제4 롤러(381 내지 384)의 일측면에 와이어 걸림부(미도시)에 체결된 와이어(미도시)에 의해 각 롤러의 위치가 고정되고, 각 롤러 사이의 간격 혹은 길이가 일정하게 유지될 수 있다.
본 실시예에서는, 서로에 대한 각 롤러(381 내지 384)의 상대적 위치(이격 거리 또는 상대적 각도)가 일정하다.
여기서, 제1 롤러(381)는 헤드 유닛(200)과 헤드 서플라이(400)의 헤드 체결부(440)가 연결되는 체결영역에 인접하여 위치할 수 있다. 헤드 유닛(200)은 상기 체결영역에서 장착되어, 회전축(401b)(도 1b 참조)을 중심으로 B-B' 방향으로 회전할 수 있다.
제1 내지 제4 롤러(381 내지 384) 중 적어도 하나의 롤러는, 트랜스포머 유닛(300)을 통과하는 토우(50)의 텐션을 적응적으로 조절하는 기능을 갖는 텐션 조절용 롤러로서 기능한다.
도 8b에서는 제3 롤러(383)가 토우(50)의 적응적 텐션 조절 기능을 갖는 것으로 도시되어 있다. 다만, 이와 다른 롤러가 이와 같은 기능을 수행할 수도 있고, 텐션 조절용 롤러가 별도로 구비되어도 무방하다.
위에서 설명한 바와 같이, 트랜스포머 유닛(300)에 구비된 각각의 롤러(381 내지 384)는 토우(50)의 이동 경로를 정의한다. 도 3b를 참조하면, 토우(50)는 트랜스포머 유닛(300)으로 진입하여, 제1 내지 제4 롤러(381 내지 384)에 의해 가이드되어 헤드 유닛(200)으로 진행한다.
즉, 토우(50)는 제1 내지 제4 롤러(381 내지 384) 각각의 원주면 일부를 접촉하면서, 진행 방향을 바꾸면서 헤드 유닛(200)으로 나아가게 된다.
이때, 제1 내지 제4 롤러(381 내지 384)를 지나는 토우(50)의 텐션이 변화(증가 혹은 감소)할 수 있다.
이를 방지하기 위해, 토우(30)의 텐션을 조절하는 기능을 갖는 텐션 조절용 롤러인 제3 롤러(383)는 탄성 부재(388)를 구비할 수 있다. 탄성 부재(388)에 의해 제3 롤러(383)는 소정 거리 내에서 이동이 가능하다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 탄성 부재(388)의 일단은, 적응적 텐션 조절용 롤러인 제3 롤러(383)의 중심에 연결되고, 탄성 부재(388)의 타단은 트랜스포머 유닛(300)의 내부에 고정된다. 도 8b에서는 탄성 부재(388)의 타단이 제4 롤러(384)의 중심에 고정되어 있지만, 이와 다른 영역에 고정될 수도 있다.
제3 롤러(383)는 트랜스포머 유닛(300)을 지나면서 토우(50)의 텐션 변화에 대응하여, 소정 거리 내에서 위치가 이동함으로써 토우(50)의 텐션을 일정하게 유지한다.
토우(50)의 이동 경로가, 적응적 텐션 조절용 롤러인 제3 롤러(383)를 포함하는 제1 내지 제4 롤러(381 내지 384)에 의해 형성되면, 토우(50)의 텐션 변화에 대응하여 토우(50)의 텐션을 일정하게 조절할 수 있게 된다.
본 실시예에서는, 적응적 텐션 조절용 롤러인 제3 롤러(383)의 위치 이동을 가능케 하는 수단으로서, 탄성 부재(388)를 언급했지만, 이와 다른 수단을 구비해도 무방하다.
한편, 트랜스포머 유닛(300)의 내부 구성들은 커버(미도시)에 의해서 외부로부터 격리되고 보호될 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 헤드 유닛(200)의 회전 또는 이동을 도시한다.
도 9는 트랜스포머 유닛(300)의 구성이 도 8a의 상태에 위치한 경우를 도시한다. 이때, 헤드 유닛(200)은 수평면과 대략 평행한 방향, 즉, 헤드 서플라이(400)의 길이 방향의 연장선상에 놓이게 된다.
여기서, 트랜스포머 유닛(300)의 제3 내지 제5 롤러(313 내지 315)가 구비된 영역이, 제5 롤러(314)를 중심으로 하방으로 회전한 경우를 도 10에 도시하였고, 상방으로 회전한 경우를 도 11에 도시하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제3 내지 제5 롤러(313 내지 315)는 동일한 부재에 포함되어 있기 때문에, 하나의 단위로 움직일 수 있다. 또, 제1 및 제2 롤러(311 및 312)도 동일한 부재에 포함되어 있기 때문에, 하나의 단위로 움직일 수 있다.
아울러, 제2 롤러(312) 및 제3 롤러(313)가 연결부재(350)에 의해 연결되므로, 제5 롤러(315)가 회전하는 경우, 모든 롤러가 연동하여 이동할 수 있게 된다.
도 10은 제5 롤러(315)가 포함된 트랜스포머 유닛(300)의 일부 영역(제3 내지 제5 롤러가 포함된 영역)이 제5 롤러(315)를 중심으로 회전한 경우를 나타낸다.
제5 롤러(315)를 중심으로 한 트랜스포머 유닛(300)의 일부 영역(제3 내지 제5 롤러가 포함된 영역)의 회전은, 제3 롤러(313)와 제2 롤러(312)를 잇는 연결부재(350)를 상승시켜, 트랜스포머 유닛(300)의 또 다른 영역(제1 및 제2 롤러가 포함된 영역)을 이동시킨다. 또 다른 영역(제1 및 제2 롤러가 포함된 영역)이 상승하면, 상기 또 다른 영역에 연결되어 있는 헤드 유닛(200)의 이동 또는 회전을 야기한다. 구체적으로, 연결축(401b)을 기준으로 상기 또 다른 영역의 반대편에 있는 헤드 유닛(200)이 아래를 향하게 된다.
도 11은 제5 롤러(315)를 포함하는 트랜스포머 유닛(300)의 일부 영역(제3 내지 제5 롤러가 포함된 영역)이, 도 10의 반대 방향으로 회전한 경우를 나타낸다.
제5 롤러(315)를 중심으로 한 트랜스포머 유닛(300)의 일부 영역(제3 내지 제5 롤러가 포함된 영역)의 회전은, 제3 롤러(313)와 제2 롤러(312)를 잇는 연결부재(350)를 아래로 끌어당겨, 트랜스포머 유닛(300)의 또 다른 영역(제1 및 제2 롤러가 포함된 영역)을 이동시킨다. 또 다른 영역(제1 및 제2 롤러가 포함된 영역)이 하강하면, 상기 또 다른 영역에 연결되어 있는 헤드 유닛(200)의 이동 또는 회전을 야기한다. 구체적으로, 연결축(401b)을 기준으로 상기 또 다른 영역의 반대편에 있는 헤드 유닛(200)이 위를 향하게 된다.
이와 같이, 트랜스포머 유닛(300)은 복수의 롤러(311 내지 315)를 이용하여, 한정된 공간(헤드 체결부(440)에 의해 한정된 길이 범위내)에서 형상이 변형되면서, 헤드 유닛(200)을 회전시킬 수 있기에, 3D 입체물 제조 로봇(100)을 컴팩트하게 만들 수 있다.
마지막으로, 도 12 및 도 13을 참조하면서, 제2 실시예에 따른 헤드 유닛(200)의 회전/이동 동작을 설명하기로 한다.
도 12는 헤드 유닛(200)이 수평면과 대략 평행한 방향, 즉, 헤드 서플라이(400)의 길이 방향의 연장선상에 놓인 상태를 나타낸다. 제1 실시예와 달리, 제2 실시예에서는 헤드 유닛(200)의 회전은 트랜스포머 유닛(300)에 구비된 각 롤러(381 내지 384)에 영향을 주지 않는다. 도 13은 헤드 유닛(200)이 수직 하방으로 회전한 경우를 나타낸다. 도 12 및 13과 같이, 제2 실시예에서는, 헤드 유닛(200)은 헤드 체결부(440)에 의해 회전 가능하게 고정되고, 헤드 유닛(200)과 트랜스포머(300)의 상호 연결은 토우(50)의 이동 경로를 형성하기 위한 것이다.
트랜스포머 유닛(300)은 복수의 롤러(381 내지 384)를 이용하여, 토우(50)의 텐션을 일정하게 유지하고, 헤드 유닛(300)은 헤드 체결부(440)에 연결되어 용이하게 회전 가능하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태를 포함하는 특정 실시예의 관점에서 본 발명을 설명했지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 위에서 설명된 발명의 구성에 있어서, 다양한 치환이나 변형을 예측할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 권리범위와 기술적 사상을 벗어나지 않는 한, 구조적이고 기능적인 변조가 다양하게 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상이나 권리범위는 본 명세서에 첨부된 청구범위에 기술된 바와 같이 광범위하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 플라스틱 재료로 이루어진 소재의 토출을 제어하는 헤드 유닛을 구비한 장치에 다양하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 소재의 온도를 지속적으로 제어하면서, 소재를 외부로 원활히 토출시킬 수 있는, 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재의 토출을 제어하는 헤드 유닛을 구비한 장치에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (12)

  1. 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재를 토출하는 헤드 유닛으로서,
    상기 소재의 이동을 가이드하는 헤드 파이프;
    상기 헤드 파이프의 일부 또는 전체를 둘러싸며, 상기 헤드 파이프 내에서 이동 중인 상기 소재의 온도를 조절하는 헤드 히터; 및
    상기 파이프의 일단에 구비되어, 상기 소재를 외부로 토출시키는 토출구;를 포함하는, 헤드 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 헤드 파이프의 선단에, 상기 소재의 토출 위치를 가이드하는 실린더 롤러;가 형성된, 헤드 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소재의 토출을 원활하게 하기 위해, 상기 실린더 롤러의 온도를 조절하는 강제공기 파이프;를 더 포함하는, 헤드 유닛.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 실린더 롤러의 왕복 운동을 제어하는 실린더 어셈블리;를 더 포함하는, 헤드 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 헤드 유닛의 멀티플 회전을 제어하는 휠 어셈블리;를 더 포함하는, 헤드 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 헤드 유닛의 회전 중 내부 도선을 고정시키는 스페이서 및 로터리 하우징;을 더 포함하는, 헤드 유닛.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소재의 이동을 가이드하여 상기 헤드 유닛으로 전달하는 트랜스포머 유닛이 체결되는 커플링;을 포함하는, 헤드 유닛.
  8. 형성 가능한 플라스틱 재료로 이루어진 소재가 유입되는 유입구;
    유입구를 통해 유입된 상기 소재를 가이드하는 유입 파이프;
    상기 유입 파이프 내를 통과하는 상기 소재의 온도를 조절하는 헤드 서플라이 히터; 및
    상기 소재를 토출하는 헤드 유닛을 체결하기 위한 헤드 체결부;를 포함하는, 헤드 서플라이 유닛.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유입구는 소정 온도의 공기를 공급하는 공기 히터와 연결되는, 헤드 서플라이 유닛.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 유입 파이프의 일단은, 상기 소재의 이동 경로를 정의하는 복수의 롤러를 구비한 트랜스포머 유닛에 연결되는, 헤드 서플라이 유닛.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 헤드 체결부는,
    상기 트랜스포머 유닛이 설치되는 수용 공간을 형성하는, 헤드 서플라이 유닛.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 트랜스포머 유닛은, 상기 수용 공간에 설치되어, 상기 헤드 체결부와 상기 헤드 유닛의 연결축을 중심으로 상기 헤드 유닛을 이동 또는 회전시키는, 헤드 서플라이 유닛.
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