WO2017204433A1 - 3차원 다공체 프린팅 장치 및 이를 이용한 3차원 다공체 프린팅 방법 - Google Patents

3차원 다공체 프린팅 장치 및 이를 이용한 3차원 다공체 프린팅 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional printer, and more particularly, to a three-dimensional porous body printing apparatus and a three-dimensional porous body printing method using the same, which can produce a porous body having a three-dimensional solid shape by a three-dimensional printing method.
  • Foam molding is a method of producing a product by generating bubbles during the injection molding or extrusion molding process and uniformly dispersing them in the polymer resin. Since the foamed part occupies a large part of the volume, the material cost can be greatly reduced, the weight can be reduced, and the thermal insulation or elastic force due to the bubble can be obtained.
  • a physical blowing agent or a chemical blowing agent is used.
  • chemical blowing agents low molecular weight organic compounds which decompose at critical temperatures and release gases such as nitrogen, carbon dioxide or carbon monoxide are used.
  • gases such as carbon dioxide and nitrogen are used.
  • the injection molding is injected by pre-mixing the resin, the blowing agent, and other additives, or by injecting the blowing agent in the appropriate position of the barrel (melting barrel) and uniformly dispersed in the polymer resin under high pressure.
  • the mixture of the polymer resin and the blowing agent injected in this way is injected into the cavity, which is the molding space in the mold, and then foamed as the generated gas expands.
  • the method of manufacturing a porous body using the conventional foam injection or foam extrusion molding method is suitable for producing a large amount of simple forms of porous bodies, but to prepare a porous body having a complex and various three-dimensional shape, or to produce a small amount of porous bodies. It is not suitable for manufacturing.
  • the present invention is to solve the conventional problems as described above, an object of the present invention is to produce a porous body having a complex and various three-dimensional shape, or a three-dimensional porous printing that can produce a small amount of the porous body by a three-dimensional printing method An apparatus and a three-dimensional porous printing method using the same are provided.
  • the three-dimensional porous body printing apparatus for achieving the above object, a stage; It is installed on the upper side of the stage so as to be movable relative to the stage in the horizontal direction and the vertical direction, and the nozzle hole discharged while passing through the hybrid filament mixed with the chemical foaming agent or gas in the resin is formed to penetrate upward and downward to hybrid toward the stage.
  • a printing nozzle for ejecting a filament A heater installed outside the nozzle hole of the printing nozzle and heating the chemical foaming agent of the hybrid filament passing through the nozzle hole above the foaming temperature;
  • a filament supply unit supplying the hybrid filament to the printing nozzle; Characterized in that it comprises a.
  • the porous filament containing the chemical foaming agent is discharged while being heated through a printing nozzle to make a porous body having a plurality of pores formed in a three-dimensional printing method.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of a three-dimensional porous body printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a state in which a porous filament is produced by the hybrid filament is discharged through the printing nozzle of the three-dimensional porous body printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the filament supply unit of the three-dimensional porous body printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a shoe sole as an example of a porous body made using the three-dimensional porous body printing apparatus of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing various embodiments of a printing nozzle of a three-dimensional porous body printing apparatus according to the present invention.
  • Figure 6 is a reaction scheme showing the thermal decomposition of the chemical foaming agent of the three-dimensional porous body printing apparatus according to the present invention.
  • stage 20 nozzle
  • a dimensional porous body printing apparatus includes a stage 10 and a horizontal direction and a vertical direction relative to the stage 10 above the stage 10.
  • a printing nozzle 20 which is installed to be movable and ejects the hybrid filament F toward the stage 10
  • a heater 30 which is installed in the printing nozzle 20 to heat the printing nozzle 20, and a chemical It consists of a configuration including a filament supply unit 40 for supplying a hybrid filament (F) mixed with a blowing agent and / or gas to the printing nozzle.
  • the stage 10 may be formed in a flat plate shape and fixed to a frame of the printing apparatus, or may be configured to be horizontally moved in the XY direction and / or moved in the vertical direction (Z-axis direction) by a known linear motion device. .
  • the printing nozzle 20 is configured to be able to move horizontally in the XY direction and in the vertical direction (Z-axis direction) by a known linear motion device on the upper side of the stage 10, so as to design a controller (not shown).
  • a controller not shown
  • the horizontal filament (H) is horizontally moved in the XY direction and the vertical filament is discharged while the vertical filament is discharged to stack the porous body in a desired three-dimensional shape.
  • the linear movement device for moving the printing nozzle 20 in a horizontal movement and a vertical direction may be applied to a linear movement system using a linear motor system, a ball screw-servo motor system, a pulley-belt-servo motor system, and the like.
  • the nozzle hole 21 which is heated while the hybrid filament F passes therethrough is formed in the center of the printing nozzle 20 so as to penetrate in the vertical direction.
  • the heater 30 may be formed of a coil that is spirally wound on the outer side of the nozzle hole 21 to generate heat by electricity applied from the outside.
  • the heater 30 heats the printing nozzle at 150 to 300 ° C. to melt the resin forming the hybrid filament (F) and to foam the chemical foaming agent (C) in the hybrid filament (F).
  • the hybrid filament (F) is made by mixing the chemical foaming agent powder and / or gas in the resin, the resin may be applied to ABS, urethane, silicone, PP, PLA and the like.
  • the chemical foaming agent Azodicarbonamide (ADC) (C 2 H 4 O 2 N 4 ), an ADC activated, oxy enzene sulphonyl hydrazide (OCSH), 5-PT, TSS, and toluene sulfonyl hydrazide (TSH), which are exothermic foaming agents, are used.
  • an endothermic foaming agent may be used, such as NaHCO 3, citric acid derivates, and the like.
  • the hybrid filament (F) may be made by injecting one or more gases selected from the group consisting of N 2 , H 2 , O 2 , CO, CO 2 , and NH 3 with or without a chemical foaming agent.
  • Azodicarbonamide (ADC) in the chemical foaming agent is a powder having a molecular formula NH 2 CONNCONH 2 , and thermally decomposed at a temperature of 200 ⁇ 210 °C, the initial stage during the thermal decomposition as shown in Figure 6 N 2 , CO, CO 2 gases are generated, and NH 3 increases markedly with increasing temperature.
  • the hybrid filament (F) is made in the form of a wire having a uniform diameter of 0.1 ⁇ 10.0mm in the filament supply unit 40 is supplied to the printing nozzle (20).
  • the filament supply unit 40 as shown in Figure 3, the inlet 42 and the inlet of the hopper structure into which the resin (R) in the form of pellets and the chemical foaming agent (C) in the form of powder
  • An extrusion cylinder 41 having an outlet 43 which is discharged while the mixture of the resin (R) and the chemical foaming agent (C) introduced through the 42 is formed into a hybrid filament (F) in the form of a wire, and the extrusion cylinder (41) rotatably installed inside the screw 44 for stirring while gradually transferring the mixture of the resin and the chemical foaming agent from the inlet (42) toward the outlet (43), and is installed on the outer surface of the extrusion cylinder (41)
  • a cylinder heater 45 for heating the extrusion cylinder 41 to a temperature lower than the foaming temperature of the chemical foaming agent (C).
  • the cylinder heater 45 heats the extrusion cylinder 41 to a temperature higher than the melting point temperature of the resin (R) and lower than the melting point temperature of the chemical foaming agent (C) to melt the resin (R) and the chemical foaming agent (C). It acts to allow mixing.
  • a hybrid filament F is manufactured by the filament supply unit 40, and a process of supplying the manufactured filament F to the printing nozzle 20 is performed.
  • the resin (R) and the chemical foaming agent (C) are introduced into the extrusion cylinder 41, and the screw 44 is rotated to rotate the resin (R) and the chemical foaming agent ( C) is gradually conveyed toward the outlet 43 while being mixed by the screw 44.
  • the extrusion cylinder 41 is heated to the set temperature by the cylinder heater 45, the resin is melted and mixed with the chemical foaming agent (C) while the resin is melted in the extrusion cylinder 41.
  • the chemical foaming agent (C) Since the exothermic temperature of the cylinder heater 45 is lower than the foaming temperature of the chemical foaming agent (C), the chemical foaming agent (C) is not foamed and only the resin (R) is melted. The mixture of the resin (R) and the chemical foaming agent (C) transferred while being mixed by the screw 44 is discharged to the outside through the discharge port 43 of the extrusion cylinder 41 becomes a hybrid filament (F) of the wire form. .
  • the hybrid filament F in the form of wire discharged from the outlet 43 of the extrusion cylinder 41 is wound on the spool 46 and then supplied to the printing nozzle 20 through the top inlet of the printing nozzle 20.
  • the printing nozzle 20 is a hybrid while moving horizontally in the XY direction with respect to the stage 10 by a linear motion device according to the three-dimensional shape of the porous body previously input to the design program of the controller (not shown) and hybrid
  • the filament F is discharged onto the stage 10 to stack the porous body in a desired three-dimensional form.
  • the heater 30 configured in the printing nozzle 20 heats the printing nozzle 20 to a temperature higher than the temperature at which the chemical foaming agent of the hybrid filament (F) foams. Therefore, when the hybrid filament F is discharged through the lower end of the nozzle hole 21 of the printing nozzle 20, the chemical foaming agent C in the hybrid filament F is foamed to form N 2 , CO, CO 2, or the like. Gas is generated, and thus a plurality of fine pores having a size of 1 ⁇ m to 10 mm are formed in the hybrid filament F stacked on the stage 10 in a predetermined shape, thereby forming a porous body in a desired three-dimensional shape. You lose.
  • the operation of the heater 30 is controlled so that the pore is required without forming pores in the area where pores are unnecessary. Only the pores may be partially formed, or the amount of pores may be differently formed for each region. For example, in the case of the shoe sole shown in FIG. 4, in the region where there should be no pores, the operation of the heater 30 is stopped to prevent the chemical foaming agent (C) of the hybrid filament (F) from foaming, and the region requiring the pores. Only by operating the heater 30 will be able to form a porous body.
  • a large amount of pores are formed by increasing the exothermic temperature of the heater 30, and in a region where only a small amount of pores are required, a lowering of the exothermic temperature reduces the foaming amount of the chemical foaming agent (C). Only a small amount of gas can be generated.
  • the hybrid filament (F) containing the chemical foaming agent is discharged while heating through the printing nozzle 20 to make a porous body having a plurality of pores formed in a three-dimensional printing method.
  • the heater 30 is installed only on the upper outer side of the nozzle hole 21 of the printing nozzle 20, and the heater 30 is not installed on the lower part of the nozzle hole 21.
  • the upper and lower portions of the nozzle hole 21 may be divided into upper and lower portions based on a half point of the entire vertical length of the printing nozzle 20.
  • the upper and lower portions of the printing nozzle 20 The upper portion having a constant diameter may be defined as the upper portion of the printing nozzle 20, and the lower portion of the conical shape, in which the diameter of the printing nozzle 20 gradually decreases toward the lower portion, may be defined as the lower portion of the printing nozzle 20.
  • the lower portion of the nozzle hole 21 in which the heater 30 is not installed may be formed in a flat shape with a constant inner diameter as shown in FIG. 5 (I), but as shown in (II), the heater 30
  • the inner diameter of the lower portion of the nozzle hole 21, which is not installed may be made to be expanded to the lower end, and vice versa, as shown in (III), the lower part of the nozzle hole 21, in which the heater 30 is not installed,
  • the inner diameter of the may be made of a shrinking type becomes smaller toward the lower end.
  • a round protrusion 21a or a sharp protrusion 21b is formed on the lower inner circumferential surface of the nozzle hole 21 where the heater 30 is not installed, or vice versa.
  • the round groove 21c or the sharp groove 21d may be formed in the lower inner circumferential surface of the nozzle hole 21 in which the heater 30 is not installed.
  • the groove 21e may be formed spirally on the lower inner circumferential surface of the nozzle hole 21 in which the heater 30 is not installed.
  • the present invention can be applied to a three-dimensional porous printing device that can be produced in a variety of porous products or porous parts by a three-dimensional printing method.

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Abstract

본 발명은 복잡하고 다양한 3차원 형태를 갖는 다공체를 제조하거나, 소량의 다공체를 3차원 프린팅 방식으로 제조할 수 있는 3차원 다공체 프린팅 장치 및 이를 이용한 3차원 다공체 프린팅 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 3차원 다공체 프린팅 장치는, 스테이지와; 상기 스테이지의 상측에 스테이지에 대해 수평 방향 및 상하 방향으로 상대 이동 가능하게 설치되고, 수지에 화학발포제 또는 가스가 혼합된 하이브리드 필라멘트가 통과하면서 배출되는 노즐홀이 상하로 관통되게 형성되어 스테이지를 향해 하이브리드 필라멘트를 분출하는 프린팅노즐과; 상기 프린팅노즐의 노즐홀의 외측에 설치되어 노즐홀을 통과하는 하이브리드 필라멘트의 화학발포제를 발포 온도 이상으로 가열하는 히터와; 상기 하이브리드 필라멘트를 상기 프린팅노즐로 공급하는 필라멘트공급부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 다공체 프린팅 장치 및 이를 이용한 3차원 다공체 프린팅 방법
본 발명은 3차원 프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 입체 형상을 갖는 다공체를 3차원 프린팅 방식으로 제조할 수 있는 3차원 다공체 프린팅 장치 및 이를 이용한 3차원 다공체 프린팅 방법에 관한 것이다.
발포 성형은 사출성형 또는 압출성형 공정 중에 기포를 생성시키고 이를 고분자 수지 내에 균일하게 분산시켜 제품을 제조하는 방법이다. 발포 성형물은 부피의 많은 부분을 기포가 차지하므로, 재료비를 대폭 절감할 수 있고, 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 기포로 인한 단열성이나 탄성력을 얻을 수 있는 장점이 있다.
발포 성형에는 물리적 발포제나 화학적 발포제가 사용된다. 화학적 발포제로는 임계온도에서 분해되고, 질소, 이산화탄소, 또는 일산화탄소와 같은 기체를 방출하는 저분자량의 유기화합물이 사용된다. 물리적 발포제로는 이산화탄소, 질소와 같은 기체를 사용한다.
일반적으로 발포 사출성형은 수지와 발포제, 기타 첨가제를 미리 배합하여 사출하거나, 수지를 용융하는 배럴(BARREL)의 적당한 위치에 발포제를 주입하고 고압 하에서 고분자 수지 내에 균일하게 분산시킨 후 사출한다.
이렇게 사출되는 고분자 수지와 발포제의 혼합물은 금형 내의 성형 공간인 캐비티로 주입된 후 생성된 가스가 팽창하면서 발포가 이루어진다.
그런데 이러한 종래의 발포 사출 또는 발포 압출 성형 방식을 이용하여 다공체를 제조하는 방식은 단순한 형태의 다공체를 대량으로 제조하는 데에는 적합하지만, 복잡하고 다양한 3차원 형태를 갖는 다공체를 제조하거나, 소량의 다공체를 제조하는 데에는 적합하지 않다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 복잡하고 다양한 3차원 형태를 갖는 다공체를 제조하거나, 소량의 다공체를 3차원 프린팅 방식으로 제조할 수 있는 3차원 다공체 프린팅 장치 및 이를 이용한 3차원 다공체 프린팅 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 다공체 프린팅 장치는, 스테이지와; 상기 스테이지의 상측에 스테이지에 대해 수평 방향 및 상하 방향으로 상대 이동 가능하게 설치되고, 수지에 화학발포제 또는 가스가 혼합된 하이브리드 필라멘트가 통과하면서 배출되는 노즐홀이 상하로 관통되게 형성되어 스테이지를 향해 하이브리드 필라멘트를 분출하는 프린팅노즐과; 상기 프린팅노즐의 노즐홀의 외측에 설치되어 노즐홀을 통과하는 하이브리드 필라멘트의 화학발포제를 발포 온도 이상으로 가열하는 히터와; 상기 하이브리드 필라멘트를 상기 프린팅노즐로 공급하는 필라멘트공급부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따른 3차원 다공체 프린팅 장치를 이용한 3차원 다공체 프린팅 방법으로서,
(a) 하이브리드 필라멘트를 제조하여 프린팅노즐에 하이브리드 필라멘트를 공급하는 단계;
(b) 프린팅노즐을 하이브리드 필라멘트의 화학발포제가 발포하는 온도보다 높은 온도로 가열하는 단계;
(c) 프린팅노즐과 스테이지를 수평 및 상하 방향으로 상대 이동시키면서 프린팅노즐을 통해 하이브리드 필라멘트를 토출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 화학발포제가 함유된 하이브리드 필라멘트를 프린팅노즐을 통해 가열하면서 토출하여 다수의 기공이 형성된 다공체를 3차원 프린팅 방식으로 만들 수 있다.
따라서 원하는 3차원 입체 형태의 다공체를 쉽고 빠르게 만들 수 있으며, 형태가 복잡한 다공체도 용이하게 만들 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공체 프린팅 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공체 프린팅 장치의 프린팅노즐을 통해 하이브리드 필라멘트가 토출되어 다공체가 만들어지는 상태를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공체 프린팅 장치의 필라멘트공급부의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 3차원 다공체 프린팅 장치를 이용하여 만들어진 다공체의 일례로서 신발 밑창을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 3차원 다공체 프린팅 장치의 프린팅노즐의 다양한 실시예 들을 개략적으로 나타낸 단면도 들이다.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 다공체 프린팅 장치의 화학발포제의 열분해 작용을 나타낸 반응식이다.
* 부호의 설명 *
10 : 스테이지 20 : 노즐
21 : 노즐홀 30 : 히터
40 : 필라멘트공급부 41 : 압출실린더
42 : 투입구 43 : 배출구
44 : 스크류 45 : 실린더히터
C : 화학발포제 F : 하이브리드 필라멘트
R : 수지
이하 첨부된 도면을 참조하여 3차원 다공체 프린팅 장치 및 이를 이용한 3차원 다공체 프린팅 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차원 다공체 프린팅 장치는, 스테이지(10)와, 상기 스테이지(10)의 상측에 스테이지(10)에 대해 수평 방향 및 상하 방향으로 상대 이동 가능하게 설치되어 스테이지(10)를 향해 하이브리드 필라멘트(F)를 분출하는 프린팅노즐(20)과, 상기 프린팅노즐(20)에 설치되어 프린팅노즐(20)을 가열하는 히터(30)와, 화학발포제 및/또는 가스가 혼합된 하이브리드 필라멘트(F)를 상기 프린팅노즐로 공급하는 필라멘트공급부(40)를 포함한 구성으로 이루어진다.
상기 스테이지(10)는 편평한 평판 형태로 되어 프린팅 장치의 프레임에 고정되거나, 공지의 선형운동장치에 의해 X-Y 방향으로 수평 이동 및/또는 상하 방향(Z축 방향)으로 이동이 가능하게 구성될 수 있다.
상기 프린팅노즐(20)은 상기 스테이지(10)의 상측에 공지의 선형운동장치에 의해 X-Y 방향으로 수평 이동 및 상하 방향(Z축 방향)으로 이동이 가능하게 구성되어, 컨트롤러(미도시)의 설계프로그램에 입력된 다공체의 입체 형태에 따라 스테이지(10)에 대해 X-Y 방향으로 수평 이동함과 더불어 상하 방향으로 이동하면서 하이브리드 필라멘트(F)를 토출하여 원하는 입체 형태로 다공체를 적층한다. 상기 프린팅노즐(20)을 수평 이동 및 상하 방향으로 이동시키는 선형운동장치는 리니어모터 시스템, 볼스크류-서보모터 시스템, 풀리-벨트-서보모터 시스템 등을 이용한 선형운동시스템을 적용할 수 있다.
상기 프린팅노즐(20)의 중앙부에는 하이브리드 필라멘트(F)가 통과하면서 가열되는 노즐홀(21)이 상하 방향으로 관통되게 형성되어 있다.
상기 히터(30)는 상기 노즐홀(21)의 바로 외측에 나선형으로 권선되어 외부에서 인가되는 전기에 의해 발열하는 코일로 이루어질 수 있다. 상기 히터(30)는 프린팅노즐을 150~300℃ 로 가열하여 하이브리드 필라멘트(F)를 이루는 수지를 용융시킴과 동시에 하이브리드 필라멘트(F) 내의 화학발포제(C)를 발포시킨다.
상기 하이브리드 필라멘트(F)는 수지에 화학발포제 분말 및/또는 가스가 혼합되어 만들어지는데, 상기 수지로는 ABS, 우레탄, 실리콘, PP, PLA 등을 적용할 수 있다. 그리고 상기 화학발포제로는 발열발포제인 Azodicarbonamide(ADC)(C2H4O2N4), ADC activated, OBSH(oxy enzene sulphonyl hydrazide), 5-PT, TSS, TSH(Toluene sulfonyl hydrazide) 등을 이용하거나, 흡열발포제인 NaHCO3, citric acid derivates 등을 이용할 수 있는데, 상기 발열발포제와 흡열발포제를 1종 이상을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 혹은 화학발포제와 함께, 또는 화학발포제 없이 수지에 N2, H2, O2, CO, CO2, NH3 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 가스를 주입하여 하이브리드 필라멘트(F)를 만들 수도 있다.
상기 화학발포제 중 Azodicarbonamide(ADC)는 분자식이 NH2CONNCONH2 인 분말로서, 200~210℃의 온도에서 열 분해되고, 도 6에 도시된 반응식과 같이 열 분해 시 초기 단계는 N2, CO, CO2 가스가 발생하며, 온도 상승에 따라 NH3 가 현저히 증가하게 된다.
상기 하이브리드 필라멘트(F)는 상기 필라멘트공급부(40)에서 0.1 ~ 10.0㎜의 균일한 직경을 갖는 와이어 형태로 만들어져 프린팅노즐(20)로 공급된다. 이 실시예에서 상기 필라멘트공급부(40)는 도 3에 도시한 것과 같이, 펠릿 형태로 된 수지(R)와 분말 형태로 된 화학발포제(C)가 투입되는 호퍼 구조의 투입구(42)와 상기 투입구(42)를 통해 유입된 수지(R)와 화학발포제(C)의 혼합물이 와이어 형태의 하이브리드 필라멘트(F)로 성형되면서 배출되는 배출구(43)를 구비한 압출실린더(41)와, 상기 압출실린더(41) 내측에서 회전 가능하게 설치되어 수지와 화학발포제의 혼합물을 투입구(42) 쪽에서 배출구(43) 쪽으로 점진적으로 이송하면서 교반하는 스크류(44)와, 상기 압출실린더(41)의 외면에 설치되어 상기 화학발포제(C)의 발포 온도보다 낮은 온도로 압출실린더(41)를 가열하는 실린더히터(45)를 포함한다.
상기 실린더히터(45)는 상기 수지(R)의 융점 온도보다는 높고 화학발포제(C)의 융점 온도보다는 낮은 온도로 압출실린더(41)를 가열하여 수지(R)가 용융되면서 화학발포제(C)와 혼합될 수 있게 하는 작용을 한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 3차원 다공체 프린팅 장치를 이용하여 3차원 다공체를 프린팅하는 방법의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 상기 필라멘트공급부(40)로 하이브리드 필라멘트(F)를 제조하고, 제조된 하이브리드 필라멘트(F)를 상기 프린팅노즐(20)에 공급하는 공정을 수행한다. 이 공정을 좀 더 구체적으로 설명하면, 먼저 상기 압출실린더(41) 내로 수지(R)와 화학발포제(C)의 혼합물을 투입하고, 스크류(44)를 회전시키면 상기 수지(R)와 화학발포제(C)가 스크류(44)에 의해 혼합되면서 배출구(43) 쪽으로 점진적으로 이송된다. 이 때 실린더히터(45)에 의해 압출실린더(41)가 설정된 온도로 가열되므로 압출실린더(41) 내에서 수지가 용융되면서 화학발포제(C)와 교반되어 혼합된다. 상기 실린더히터(45)의 발열 온도는 화학발포제(C)의 발포 온도보다 낮은 온도이므로 화학발포제(C)는 발포되지 않고 수지(R)만 용융된다. 상기 스크류(44)에 의해 혼합되면서 이송된 수지(R)와 화학발포제(C)의 혼합물은 압출실린더(41)의 배출구(43)를 통해 외부로 토출되면서 와이어 형태의 하이브리드 필라멘트(F)가 된다.
상기 압출실린더(41)의 배출구(43)에서 배출된 와이어 형태의 하이브리드 필라멘트(F)는 스풀(46)에 권선된 후 프린팅노즐(20)의 상단 입구를 통해 프린팅노즐(20)로 공급된다.
상기 프린팅노즐(20)은 컨트롤러(미도시)의 설계프로그램에 미리 입력된 다공체의 입체 형태에 따라 선형운동장치에 의해 스테이지(10)에 대해 X-Y 방향으로 수평 이동함과 더불어 상하 방향으로 이동하면서 하이브리드 필라멘트(F)를 스테이지(10) 상에 토출하여 원하는 입체 형태로 다공체를 적층한다.
이 때, 상기 프린팅노즐(20)에 구성된 히터(30)는 상기 프린팅노즐(20)을 하이브리드 필라멘트(F)의 화학발포제가 발포하는 온도보다 높은 온도로 가열한다. 따라서, 상기 프린팅노즐(20)의 노즐홀(21)의 하단부를 통해 하이브리드 필라멘트(F)가 토출될 때 하이브리드 필라멘트(F) 내의 화학발포제(C)가 발포하여 N2, CO, CO2 등의 가스가 발생하게 되고, 이에 따라 스테이지(10) 상에 소정의 형태로 적층된 하이브리드 필라멘트(F)에 1㎛~10㎜ 크기의 다수의 미세 기공(pore)이 형성되어 원하는 입체 형태로 다공체가 만들어지게 된다.
이와 같이 프린팅노즐(20)을 통해 하이브리드 필라멘트(F)를 토출하여 3차원 다공체를 제조할 때, 상기 히터(30)의 작동을 제어하여 기공이 불필요한 영역에서는 기공을 형성하지 않고 기공이 요구되는 영역만 부분적으로 기공을 형성하거나, 기공의 양을 영역 별로 다르게 형성할 수도 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 신발 밑창의 경우, 기공이 없어야 하는 영역에서는 히터(30)의 작동을 중단시켜 하이브리드 필라멘트(F)의 화학발포제(C)가 발포되지 않도록 하고, 기공이 필요한 영역에서만 히터(30)를 작동시켜 다공체를 형성할 수 있을 것이다.
또한 기공이 다량으로 요구되는 영역에서는 히터(30)의 발열 온도를 증대시켜 다량의 기공이 형성되도록 하고, 기공이 소량만 요구되는 영역에서 발열 온도를 낮추어 화학발포제(C)의 발포량을 적게 하여 소량의 가스만 발생하게 할 수 있을 것이다.
상술한 것과 같이 본 발명에 따르면, 화학발포제가 함유된 하이브리드 필라멘트(F)를 프린팅노즐(20)을 통해 가열하면서 토출하여 다수의 기공이 형성된 다공체를 3차원 프린팅 방식으로 만들 수 있다.
따라서 원하는 3차원 입체 형태의 다공체를 쉽고 빠르게 만들 수 있으며, 형태가 복잡한 다공체도 용이하게 만들 수 있다.
한편, 전술한 것과 같이 화학발포제가 함유된 하이브리드 필라멘트(F)를 히터(30)가 구비된 프린팅노즐(20)을 이용하여 3차원 다공체를 제작할 때, 상기 프린팅노즐(20)의 말단부에서 하이브리드 필라멘트(F) 내의 화학발포제의 발포 압력에 의해 유량이 증가하여 정밀도가 저하될 가능성이 있다.
이에 도 5에 도시한 것과 같이 프린팅노즐(20)의 노즐홀(21)의 상부 외측에만 히터(30)를 설치하고, 노즐홀(21)의 하부에는 히터(30)를 설치하지 않아 프린팅노즐(20)의 노즐홀(21)의 하단부를 통해 토출되는 하이브리드 필라멘트(F)의 유량을 조절하여 원하는 정밀도로 다공체를 형성할 수 있다. 여기서 노즐홀(21)의 상부와 하부는 프린팅노즐(20)의 전체 상하방향 길이의 1/2 지점을 기준으로 상부와 하부를 구분할 수 있으나, 이 도면에 도시한 것과 같이 프린팅노즐(20)의 직경이 일정한 상부를 프린팅노즐(20)의 상부로 정의하고, 프린팅노즐(20)의 직경이 하단부로 갈수록 점차적으로 작아지는 원추형으로 된 하부를 프린팅노즐(20)의 하부로 정의할 수도 있다.
상기 히터(30)가 설치되지 않은 노즐홀(21)의 하부는 도 5의 (Ⅰ) 도면에 도시한 것과 같이 내경이 일정한 플랫형으로 이루어질 수도 있으나, (Ⅱ) 도면에 도시한 것처럼 히터(30)가 설치되지 않은 노즐홀(21)의 하부의 내경이 하단부로 갈수록 커지는 확장형으로 이루어질 수도 있으며, 그 반대로 (Ⅲ) 도면에 도시한 것처럼 히터(30)가 설치되지 않은 노즐홀(21)의 하부의 내경이 하단부로 갈수록 작아지는 수축형으로 이루어질 수도 있다.
또한 도 5의 (Ⅳ) 및 (Ⅴ) 도면에 도시한 것처럼 히터(30)가 설치되지 않은 노즐홀(21)의 하부 내주면에 둥근 돌기(21a) 또는 뾰족한 돌기(21b)를 형성하거나, 그 반대로 (Ⅵ) 및 (Ⅶ) 도면에 도시된 것처럼 히터(30)가 설치되지 않은 노즐홀(21)의 하부 내주면에 둥근 홈(21c) 또는 뾰족한 홈(21d)을 형성할 수도 있을 것이다.
또한 히터(30)가 설치되지 않은 노즐홀(21)의 하부 내주면에 나선형으로 홈(21e)을 형성할 수도 있다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 다양한 다공성 제품이나 다공성 부품을 3차원 프린팅 방식으로 제조할 수 있는 3차원 다공체 프린팅 장치에 적용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 스테이지와;
    상기 스테이지의 상측에 스테이지에 대해 수평 방향 및 상하 방향으로 상대 이동 가능하게 설치되고, 수지에 화학발포제 또는 가스가 혼합된 하이브리드 필라멘트가 통과하면서 배출되는 노즐홀이 상하로 관통되게 형성되어 스테이지를 향해 하이브리드 필라멘트를 분출하는 프린팅노즐과;
    상기 프린팅노즐의 노즐홀의 외측에 설치되어 노즐홀을 통과하는 하이브리드 필라멘트의 화학발포제를 발포 온도 이상으로 가열하는 히터와;
    상기 하이브리드 필라멘트를 상기 프린팅노즐로 공급하는 필라멘트공급부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하이브리드 필라멘트는 수지에 화학발포제로서 Azodicarbonamide(ADC)(C2H4O2N4), ADC activated, OBSH, 5-PT, TSS, TSH, NaHCO3, citric acid derivates로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 분말을 혼합하거나, N2, H2, O2, CO, CO2, NH3 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 가스를 주입하여 만들어진 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 수지의 중량에 대해 화학발포제가 0.01~50 중량%가 혼합된 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 히터는 상기 프린팅노즐을 150~300℃ 로 가열하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 히터는 상기 노즐홀의 외측에 나선형으로 권선되어 외부에서 인가되는 전기에 의해 발열하는 코일로 된 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 필라멘트공급부는, 수지와 화학발포제의 혼합물이 투입되는 투입구와 상기 투입구를 통해 유입된 수지와 화학발포제의 혼합물이 와이어 형태의 하이브리드 필라멘트로 성형되면서 배출되는 배출구를 구비한 압출실린더와, 상기 압출실린더 내측에서 회전 가능하게 설치되어 수지와 화학발포제의 혼합물을 투입구 쪽에서 배출구 쪽으로 점진적으로 이송하면서 교반하는 스크류와, 상기 압출실린더의 외면에 설치되어 상기 화학발포제의 발포 온도보다 낮은 온도로 압출실린더를 가열하는 실린더히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 히터는 상기 노즐홀의 상부에 설치된 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 히터가 설치되지 않은 프린팅노즐의 노즐홀의 하부는 내경이 일정한 플랫형과, 내경이 하단부로 갈수록 커지는 확장형과, 내경이 하단부로 갈수록 작아지는 수축형 중 어느 하나로 된 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 히터가 설치되지 않은 프린팅노즐의 노즐홀의 하부 내주면에 돌기가 돌출되게 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 히터가 설치되지 않은 프린팅노즐의 노즐홀의 하부 내주면에 홈이 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 홈은 노즐홀의 하부 내주면에 나선형으로 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 하이브리드 필라멘트는 직경이 0.1 ~ 10.0㎜ 인 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 3차원 다공체 프린팅 장치를 이용한 3차원 다공체 프린팅 방법으로서,
    (a) 하이브리드 필라멘트를 제조하여 프린팅노즐에 하이브리드 필라멘트를 공급하는 단계;
    (b) 프린팅노즐을 하이브리드 필라멘트의 화학발포제가 발포하는 온도보다 높은 온도로 가열하는 단계;
    (c) 프린팅노즐과 스테이지를 수평 및 상하 방향으로 상대 이동시키면서 프린팅노즐을 통해 하이브리드 필라멘트를 토출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 (a) 단계는, 압출실린더 내로 수지와 화학발포제의 혼합물을 투입하는 단계, 압출실린더 내에서 수지와 화학발포제의 혼합물을 화학발포제의 발포 온도보다 낮은 온도로 가열 및 교반하면서 이송하는 단계, 압출실린더의 배출구에서 수지와 화학발포제가 혼합된 하이브리드 필라멘트가 와이어 형태로 토출되는 단계, 상기 압출실린더의 배출구를 통해 배출된 하이브리드 필라멘트를 프린팅노즐로 이송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공체 프린팅 방법.
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