WO2018038326A1 - 이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐, 이를 포함하는 3차원 프린터 - Google Patents

이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐, 이를 포함하는 3차원 프린터 Download PDF

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WO2018038326A1
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WO
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mixing
cylinder
increased
printing nozzle
dimensional printing
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PCT/KR2016/013687
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최문수
김대년
김효수
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주식회사 쓰리디코리아
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    • B29C31/00—Handling, e.g. feeding of the material to be shaped, storage of plastics material before moulding; Automation, i.e. automated handling lines in plastics processing plants, e.g. using manipulators or robots
    • B29C31/04—Feeding of the material to be moulded, e.g. into a mould cavity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C67/00—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00

Definitions

  • the present invention relates to a 3D printer capable of molding by mixing materials having one or more different characteristics, including a screw, which can minimize the size and weight of a three-dimensional printer nozzle, improve the mixing performance of materials, and
  • the present invention relates to a three-dimensional printing nozzle having increased mixing performance of heterogeneous materials provided to mix plastic filaments, liquid raw materials, and powder raw materials according to a mixing ratio to be output from one nozzle, and a three-dimensional printer including the same.
  • the conventional technology introduces the concept of a large extrusion manufacturing equipment for manufacturing a thermoplastic filament.
  • the length of the screw In order to completely mix the thermoplastic filaments through the screw, the length of the screw must be long. There is a problem that is difficult to apply in the 3D printer with a screw, and if the length of the screw is not enough, the filament will not be completely mixed.
  • the pre-heated filament is configured to supply from the top to the bottom in the direction in which the filament is introduced into the cylinder, even if the supply of the filament is stopped, the melted filament fluid flows into the cylinder due to the first preheating, the desired mixing It is difficult to control and because the screw does not coincide with the spiral direction of rotation, the dosage is difficult to control accurately.
  • the filament should be heated only to a temperature that will not melt, so that each filament is not melted completely, but if the length of the screw is sufficient to melt and mix it in the screw inside the cylinder, Make it long.
  • the filaments are sufficiently heated and melted, and then the filaments are slowly mixed in the lower part of the screw, so that the length of the screw is very long and the size and weight of the 3D printer nozzle Will increase.
  • the size and weight of the 3D printer nozzle is increased, the size of the 3D printer mechanism is relatively large, and the nozzle weight is increased, making it difficult to control the position of the nozzle.
  • thermoplastic filaments having different physical properties melting point, viscosity, specific gravity, etc.
  • the conventional patent is a situation in which it is very difficult to freely control the physical properties of the moldings to be mixed or output a variety of materials because it can not be added to the additives of the raw material state consisting of powder, liquid phase.
  • the problem to be solved by the present invention is to precisely control the amount of the thermoplastic filament introduced into the cylinder, and to configure the nozzle portion to be able to completely mix the thermoplastic filament with a screw of a relatively very short size than the prior art.
  • thermoplastic filaments with different physical properties (melting point, viscosity, specific gravity, etc.)
  • non-plastic filaments which are difficult to be melted by heat such as glass fibers and carbon fibers can be further added.
  • each of the heating device 11 is passed through the thermoplastic filament (P) It consists of a heating tube 110 and a separate heater 111 for heating the heating tube 110,
  • the angle of the vertical direction in which the thermoplastic filament P is supplied to the cylinder 12 through the heating tube 110 is configured to form 90 to 120 degrees based on the gravity direction
  • the cylinder 12 includes one or more mixing heaters 121 for mixing and reheating the thermoplastic filament P, and a screw 13 having a spiral surface 131 along the rotation shaft 130 inside the cylinder 12. Including,
  • the rotating shaft 130 is configured to be mechanically connected to the nozzle unit power unit 10.
  • the horizontal angle in which the thermoplastic filament P is supplied to the cylinder 12 through the heating tube 110 may be configured to make a tangential direction with the rotational surface of the screw 13.
  • the mixing protrusion 132 may be further included in an end portion of the spiral surface 131 of the screw 13 included in the cylinder 12.
  • the mixing heater 121 included in the cylinder 12 is composed of a plurality, each mixing heater 121 is spaced apart from each other at regular intervals along the extrusion direction of the screw 13 are arranged sequentially Can lose.
  • the cylinder 12 is divided into a plurality of configurations according to the separation position of the mixing heater 121, the thermal cross-linking material 123 may be inserted between the divided surface of the cylinder 12.
  • the mixing member (M) may be configured by selecting one or more of the net or orifice network.
  • the mixing member (M) is a first mesh (M1) consisting of a mesh of 30 to 50 mesh (mesh) and the second mesh (M2) consisting of a mesh of 200 to 400 mesh (mesh) and a plurality of holes It may be composed of a configured orifice network (M3).
  • the cylinder 12 further comprises an additive inlet 14 at the end of the screw 13 extrusion direction, and the additive inlet 14 is an additive inlet 141 for introducing an additive material; ,
  • the additive inlet pipe 142 on the extension line of the additive inlet hole 141 may be configured to be connected into the cylinder 12.
  • the additive material introduced into the additive input unit 14 is composed of a powder raw material or a liquid raw material, the raw material container 151 for storing the additive material and the raw material supply for controlling the supply amount of the raw material electrically or mechanically It may be configured to include the device 152.
  • the additive material introduced into the additive inlet 14 is composed of a non-plastic filament (PN), may further comprise a cutting member 16 for cutting the non-plastic filament (PN). have.
  • the transmission shaft 101 may be configured to further include a transmission gear (101) mechanically connected between the rotating shaft 130 and the nozzle unit power unit (10).
  • the present invention can be provided with a three-dimensional printer including a three-dimensional printing nozzle of the mixed performance of the different materials is increased.
  • a control unit (S) for controlling the three-dimensional printer is composed of an extrusion control unit (S1) and the transfer control unit (S2), the extrusion control unit (S1) is a nozzle unit power unit 10 or the transmission gear 101 is configured to control the extrusion temperature by controlling the extrusion speed and the individual heater 111 and the mixing heater 121 through a control signal, the transfer control unit (S2) a plurality of control signals through the control signal
  • the control unit (S2) a plurality of control signals through the control signal
  • It can be a three-dimensional printer characterized in that it is configured to individually control the rotational speed of the two transfer unit power unit (2a) to individually adjust the input amount of the filament having different material properties.
  • the mixing performance of the dissimilar materials is increased, the size of the nozzle can be made very small and light, the input amount of the material can be precisely controlled, and the non-plastic filament which is difficult to be melted by heat such as glass fiber and carbon fiber
  • raw material additives that are not processed into filaments such as powder raw materials, liquid raw materials can be further added and mixed and output in one three-dimensional printing nozzle.
  • FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a nozzle unit for mixing dissimilar materials and a transfer unit for supplying filaments to the nozzle unit.
  • FIG. 2 is a configuration diagram for explaining the configuration of a nozzle unit for mixing dissimilar materials.
  • FIG. 4 is a cross sectional top view of the nozzle unit.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining an angle viewed from an upper cross-sectional direction based on the supply direction of the filament supplied from the heating tube of the nozzle unit.
  • FIG. 6 is a front side cross-sectional view of a nozzle unit further including a plurality of mixing heaters and a heat cross-linking material.
  • FIG. 7 is a front side cross-sectional view of the nozzle unit further including a mixing member.
  • FIG. 8 is a perspective view for explaining the configuration and mixing principle of the mixing member.
  • FIG. 9 is a front side cross-sectional view of the nozzle unit further including an additive injecting unit under the cylinder.
  • FIG. 10 is a front side configuration diagram of a nozzle unit in which a raw material passage and a raw material supply device are further added to an additive input unit in order to further add powder raw material and liquid raw material in the nozzle unit.
  • FIG. 11 is a front side configuration diagram of a nozzle unit in which a raw material passage and a raw material supply device are further added to the additive inlet unit to further add non-plastic filaments in the nozzle unit.
  • 12 and 13 are explanatory views for explaining a cutting member and a cutting process of cutting the non-plastic filament.
  • FIG. 14 is an overall configuration diagram of a 3D printer including a nozzle unit of the present invention.
  • 15 is a configuration diagram of a control unit for controlling the nozzle unit and the 3D printer of the present invention.
  • 17 is a photograph of a nozzle part actually manufactured according to an embodiment of the noble part of the present invention.
  • 19 is an exemplary view according to an embodiment for explaining the effect of the product output by the technology of the present invention that is not in the prior art.
  • tangential direction of the rotating surface refers to the direction when the arrow is drawn in the same direction as the direction of rotation by drawing a line segment (tangential) in contact with a point (contact) of the rotating object
  • net net refers to a mixing element provided including a net in the form of a mesh
  • ifice mesh refers to a mixing member that includes one or more orifice holes in a barrier of a certain thickness to alter the flow and pressure of the fluid.
  • filament refers to a long threaded material connected in the longitudinal direction, wherein the term “thermoplastic filament” refers to a filament material that is melted by heat when heated to a constant temperature, and the term “non-plastic filament” It refers to a filament material that is hard to melt or hard to melt by heat.
  • raw material refers to a material in powder, liquid form that has not been processed into a filament state.
  • viscosity refers to the degree of stickiness, and when a fluid is flowing, the shear force per unit area acting between adjacent fluid layers is proportional to the velocity gradient at that location, generically referred to as this proportional integer .
  • Thermal cross-linking material refers to a material having a property that can block the heat flow to the outside as a material having thermal insulation.
  • the thermoplastic filaments P introduced into the nozzle unit 1 including the constitutional features of the present invention may use five kinds of different thermoplastic filaments P having different material properties.
  • the thermoplastic filament P is wound by individual bobbins BP, BP1, BP2, BP3 and BP4, and the feed speed is increased by the rotational movement of the feed roller 2a mechanically connected to the feed unit power unit 2a of the feed unit 2. It is configured to be introduced into the nozzle unit 1 through the tube (T) while being controlled.
  • the nozzle unit 1 is composed of a plurality of heating devices 11 for heating and melting the thermoplastic filament (P) having different material properties to the cylinder 12, each of the heating devices 11 Is composed of a heating tube 110 through which the thermoplastic filament P passes and an individual heater 111 for heating the heating tube 110, and the thermoplastic filament P passes through the heating tube 110, respectively. It is configured to be heated to the proper melting temperature of the thermoplastic filament (P) of the supply into the cylinder 12 in a completely molten fluid state,
  • the cylinder 12 includes one or more mixing heaters 121 for mixing and reheating the thermoplastic filament P, and a screw 13 having a spiral surface 131 along the rotation shaft 130 inside the cylinder 12. Including,
  • the rotating shaft 130 is configured to be mechanically connected to the nozzle unit power unit 10.
  • the gear unit 10 may further include a transmission gear 101 that may obtain various speed ratios by converting a gear ratio between the nozzle unit power unit 10 and the rotation shaft 130.
  • thermoplastic filaments (P) is determined differently according to the rotational speed of the five feed rollers (2a) connected to the thermoplastic filament (P), respectively, corresponding to the supply amount of different materials
  • the mixing ratio is determined.
  • the vertical angle in which the thermoplastic filament P is supplied to the cylinder 12 through the heating tube 110 is configured to form 90 to 120 degrees based on the gravity direction. It may be characterized as being.
  • the amount of the thermoplastic filament P injected may be accurately controlled when the critical angle of the thermoplastic filament P input direction (90 degrees to 120 degrees based on the gravity direction) shown in FIG. none.
  • the extrusion direction of the helical surface 131 formed along the rotation axis 130 of the screw 13 is directed toward the direction under gravity due to the lamination method of the 3D printer, the fluid supplied into the cylinder 12 is rotated. The resistance at the point of contact with 130 is large, and the irregular supply flows due to irregular flow.
  • the critical angle of the filament input direction of the heating tube 110 may be set high within 90 to 120 degrees based on the gravity direction in proportion to the viscosity in the molten filament fluid state, but may not exceed 120 degrees.
  • the diameter of the heating tube 110 is greater than 1.5 mm to 2 mm or more, even if the filament having a viscosity of more than 120 degrees is prevented from sticking to the inner wall of the heating tube 110 by viscosity, it flows downward.
  • the diameter of the filament inlet of the FDM method 3D printer nozzle is composed of 5mm or more because the filament used is a filament of various thickness from 1mm ⁇ 10mm.
  • the mixing ratio is irregular and inaccurate due to the filament fluid flowing unintentionally into the cylinder 12.
  • the most ideal filament input angle of the heating tube 110 is 90 degrees based on the direction of gravity, and the fluctuation in the amount of flowing down due to the viscosity of the thermoplastic filament P used is small.
  • the flow hardly occurred only by the viscosity of the filament itself.
  • thermoplastic filament P input direction seen from the upper cross-sectional direction is demonstrated based on the supply direction of the filament supplied from the negative heating tube.
  • the horizontal angle in which the thermoplastic filament P is supplied to the cylinder 12 through the heating tube 110 is configured to be in a tangential direction with the rotational surface of the screw 13. It is another feature.
  • thermoplastic filament (P) fluid is engaged with the rotational direction of the screw 13 to be supplied at a uniform speed, and the filament passed through the heating tube 110.
  • the input amount can be more precisely controlled.
  • the present invention further includes a mixing protrusion 132 at an end portion of the spiral surface 131 of the screw 13 included in the cylinder 12. It can be another feature of.
  • each of the thermoplastic filaments introduced from the individual heating tubes 110 is respectively heated through the heating tubes 110 to the melting point temperature of the filaments so that the primary molten fluid is screwed inside the cylinder 12.
  • the secondary heating and mixing at the melting point temperature of the holding in response to the mixing ratio by the mixing heater 121 while moving downward along the spiral surface 131 to the end of the rotating shaft 130 to the mixing protrusion 132 Due to the mixing motion and the irregular flow and pressure change caused by the sudden increase in the mixing of the fluid, by using this principle it is possible to increase the mixing performance while cutting the length of the screw (13).
  • the towering mixing protrusion 132 may further increase the mixing performance by irregularly configuring the irregular shape or the position of the mixing protrusion 132 on the rotating shaft 130, to form a fine mixing projection 132 By increasing the number, the mixing performance is improved.
  • the mixing heater 121 included in the cylinder 12 is configured in plural, and each mixing heater 121 is disposed at regular intervals along the extrusion direction of the screw 13. It may be characterized by being spaced apart sequentially.
  • a plurality of partitions may be formed according to the separation positions of the mixing heater 121, and a heat cross-linking material 123 may be additionally inserted between the divided surfaces of the cylinder 12.
  • the temperature is controlled to an appropriate temperature.
  • polyester filaments with different melting points (melting point: 255 ° C), nylon 6-6 filaments (melting point: 268.8 ° C), and polyetherimides (melting point: 340 to 420 ° C) are used separately. It is possible to further increase the mixing speed by minimizing the residue of the fluid by controlling it to an appropriate melting temperature corresponding to the feed ratio of the filament and the mixing coefficient indicating the mixing degree of the fluid.
  • FIG. 7 further comprises a mixing member (M) configured to be selected at least one of the net or orifice net at the end of the extrusion direction in the cylinder (12) Can be.
  • M a mixing member configured to be selected at least one of the net or orifice net at the end of the extrusion direction in the cylinder (12) Can be.
  • the mixing member (M) in Figure 8 is a first mesh (M1) consisting of a mesh of 30 to 50 mesh (mesh) and a second mesh (M2) consisting of a mesh of 200 to 400 mesh (mesh) And an orifice network M3 composed of a plurality of holes.
  • the fluid flow After passing through the mixing member (M) located at the end of the extrusion direction through the first mesh (M1) and the second mesh (M2), the fluid flow drastically changes and vortices are formed to remove the unmixed residual amount The vortices formed by the net are removed while passing through the plurality of holes formed in M3, and the flow of the fluid is changed again to be discharged to the discharge hole 122.
  • the stacking error may occur due to the phenomenon that the fluid is entangled in the discharged filament or the flow of the fluid is interrupted.
  • the nozzle unit 1 of the present invention may include the cylinder 12 further including an additive inlet unit 14 at the end of the screw 13 in the extrusion direction.
  • the unit 14 is configured such that the additive inlet hole 141 for introducing the additive material and the additive inlet tube 142 on the extension line of the additive inlet hole 141 are connected to the cylinder 12.
  • the additive material introduced into the additive input unit 14 as shown in Figure 10 is composed of a powder raw material or a liquid raw material
  • It may be configured to include a raw material container 151 for storing the additive material and a raw material supply device 152 for controlling the supply amount of the raw material electrically or mechanically.
  • the additive may be laminated by varying the degree of flexibility of the filament discharged from the discharge hole 122 by adjusting the supply amount of the raw material using an additive of a kind of powder raw material for controlling the ductility of the filament according to the user's setting. Can be.
  • the additive material introduced into the additive inlet unit 14 is made of non-plastic filament (PN),
  • It may be configured to further include a cutting member 16 for cutting the non-plastic filament (PN).
  • PN non-plastic filament
  • the non-plastic filament PN when the non-plastic filament PN is rotated in a direction opposite to the supply direction of the feed roller 2a, the non-plastic filament PN is configured to be cut by the internal cutting member 16a.
  • the cutting member 16b was attached to the vicinity of the cutting member to be cut by the cutting force.
  • the cutting member 16b is configured to be cut by a blade moving at right angles to the discharge direction.
  • FIG. 14 illustrates an embodiment of a three-dimensional printer including a three-dimensional printing nozzle in which heterogeneous material mixing performance of the present invention is increased.
  • a control unit S for controlling the three-dimensional printer includes an output control unit ( S1) and the feed control unit (S2),
  • the extrusion control unit (S1) is configured to control the extrusion temperature by controlling the extrusion speed and the individual heater 111 and the mixing heater 121 through the nozzle unit power unit 10 or the transmission gear 101, the control signal,
  • the feed control unit S2 is configured to individually control the rotational speeds of the plurality of transfer unit power units 2a through control signals to individually adjust the input amount of the filaments having different material characteristics.
  • FIG. 16 is a design drawing of an actual part according to an embodiment of the present invention noble part 1
  • FIG. 17 is a photograph of an actual manufactured nozzle part manufactured according to an embodiment.
  • FIG. 18 is a comparative explanatory diagram for comparing the mixing performance of the product output in the prior art and the product output in the technology of the present invention
  • Figure 18 (e) shows the mixing performance of the product output in the prior art
  • Figure is a photograph showing the mixing performance of the product output by the technology of the present invention.
  • thermoplastic filament used in FIG. 18 used CMYK color and white color filament, and all five color filaments used the same PLA material.
  • Figure 19 is attached to an exemplary view according to an embodiment for explaining the effect of the product output by the technology of the present invention that is not in the prior art.
  • a high-strength material supply ratio of carbon, glass, and Ultem-based materials is increased to increase the intensity and the transparency of the PC series.

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Abstract

본 발명은, 실린더 내부로 투입되는 열가소성 필라멘트의 투입량을 정밀하게 조절하고, 종래기술보다 상대적으로 매우 짧은 크기의 스크류로 열가소성 필라멘트를 완전히 혼합이 가능하도록 노즐부를 구성하고, 서로 다른 물리적 특성(융용점, 점도, 비중 등)을 가진 이종의 열가소성 필라멘트의 완전한 혼합이 가능하고, 유리섬유, 탄소섬유와 같은 열에 의해 용융되기 어려운 비가소성 필라멘트를 더 첨가할 수 있도록 노즐의 구성부를 제공한다. 또한, 3차원 프린팅 노즐의 열가소성 필라멘트 유체에 분말원료, 액상원료 등 필라멘트로 가공되지 않은 원료 상태의 첨가물을 첨가하여 다양한 특성을 가진 이종재료를 하나의 노즐에서 혼합하여 출력할 수 있도록 제공된다.

Description

이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐, 이를 포함하는 3차원 프린터
본 발명은 하나 이상의 특성이 다른 재료를 혼합하여 성형이 가능한 3D 프린터에 관한 것으로서, 스크류가 포한됨 3차원 프린터 노즐의 크기 및 무게를 최소화 할 수 있으며, 재료의 혼합성능이 향상되고 열가소성 필라멘트와 비가소성 필라멘트, 액체원료, 분말원료를 혼합 비율에 따라 혼합하여 하나의 노즐에서 출력할 수 있도록 제공되는 이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐, 이를 포함하는 3차원 프린터에 관한 것이다.
종래 기술은 본 발명의 동일출원인으로부터 제안된 대한민국 특허출원 번호 "10-2014-0039111"의 "복합 3D 프린터 및 그 제어방법"은 색상이 서로 다른 열가소성 필라멘트를 혼합하여 풀 컬러 제품을 성형하고, 서로 다른 물성을 가진 소재를 혼합하는 방법이 소개되어있다.
상기 종래 기술은 열가소성 필라멘트를 제조하기 위한 대형의 압출제조장비의 개념을 도입한 것으로 스크류를 통해 열가소성 필라멘트가 완전히 혼합되기 위해서는 스크류의 길이가 길어야 하기 때문에 대형의 압출제조장비와 달리 작은 크기의 노즐을 가진 3D 프린터에서 적용되기 어려운 문제가 있으며, 스크류의 길이가 충분하지 못하면 필라멘트가 완전히 혼합되지 못하게 된다.
또한, 1차 예열된 필라멘트가 실린더 내부로 투입되는 방향에 있어서 위에서 아랫방향으로 공급하게 되도록 구성되면, 필라멘트를 공급을 중단하여도 1차 예열로 인해 용융된 필라멘트 유체가 실린더로 흘러내려 원하는 혼합비율을 제어하기 힘들고, 스크류의 나선면 회전방향과 일치하지 않기 때문에 투입량이 정확하게 제어되기 어렵다.
이를 해결하기 위해서는, 필라멘트가 용융되지 않을 정도의 온도로만 가열하여 흘러내리지 않도록 해야 하는 데, 각각의 투입되는 필라멘트를 완전히 용융되지 않으면 실린더 내부의 스크류 내부에서 이를 용융시켜 혼합하기 위해서는 스크류의 길이를 충분히 길게 제작해야 한다. 이는 스크류의 나선 회전운동을 따라 하부로 이동되면서, 고체상태의 필라멘트를 충분히 가영하여 용융시킨 다음에 스크류 하부에서 필라멘트가 느린 속도로 조금씩 혼합되기 때문에 스크류의 길이가 매우 길어져 3D프린터 노즐의 크기와 무게를 증가시키게 된다.
여기서, 3D프린터 노즐의 크기와 무게가 증가하게 되면 3D프린터 기구 크기가 상대적으로 커지게 되고, 노즐 무게가 증가하기 때문에 노즐의 위치제어가 어렵게 된다.
또한, 스크류 나선면(131)을 따라 이송되는 압출운동만으로는 서로 다른 물리적 특성(융용점, 점도, 비중 등)을 가진 이종의 열가소성 필라멘트가 완전히 혼합되기 어려우며, 유리섬유, 탄소섬유와 같은 열에 의해 용융되기 어려운 비가소성 필라멘트를 더 첨가하는 것이 불가능하다.
또한, 상기 종래 특허는 분말, 액상으로 구성되는 원료상태의 첨가물을 더 첨가할 수 없기에 다양한 재료를 혼합하거나 출력되는 조형물의 물리적 성질을 자유롭게 제어하기 매우 어려운 실정이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 실린더 내부로 투입되는 열가소성 필라멘트의 투입량을 정밀하게 조절하고, 종래기술보다 상대적으로 매우 짧은 크기의 스크류로 열가소성 필라멘트를 완전히 혼합이 가능하도록 노즐부를 구성한다.
또한, 서로 다른 물리적 특성(융용점, 점도, 비중 등)을 가진 이종의 열가소성 필라멘트의 완전한 혼합이 가능하고, 유리섬유, 탄소섬유와 같은 열에 의해 용융되기 어려운 비가소성 필라멘트를 더 첨가할 수 있다.
또한, 열가소성 필라멘트 유체에 분말원료, 액상원료 등 필라멘트로 가공되지 않은 원료 상태의 첨가물을 첨가하여 다양한 특성을 가진 이종재료를 하나의 노즐에서 혼합하여 출력할 수 있는 이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐, 이를 포함하는 3차원 프린터를 제안하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
이종재료의 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐(1)의 구성함에 있어서,
재료특성이 각기 다른 열가소성 필라멘트(P)를 가열 및 용융하여 실린더(12)로 공급하는 복수개의 가열장치(11)로 구성하되, 상기 각각의 가열장치(11)는 상기 열가소성 필라멘트(P)가 지나가는 가열관(110)과 가열관(110)을 가열하기 위한 개별히터(111)로 구성되고,
상기 열가소성 필라멘트(P)가 상기 가열관(110)을 지나 상기 실린더(12)로 공급되는 수직방향의 각도는 중력방향을 기준으로 90도 내지 120도를 이루도록 구성되고,
상기 실린더(12)는 열가소성 필라멘트(P)를 혼합 및 재가열하기 위한 하나이상의 혼합히터(121)와, 상기 실린더(12) 내부에 회전축(130)을 따라 나선면(131)을 이룬 스크류(13)를 포함하고,
상기 회전축(130)은 노즐부 동력장치(10)와 기계적으로 연결되도록 구성된다.
여기서, 상기 열가소성 필라멘트(P)가 상기 가열관(110)을 지나 상기 실린더(12)로 공급되는 수평방향의 각도는 상기 스크류(13)의 회전면과 접선방향을 이루도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 실린더(12) 내부에 포함된 상기 스크류(13)의 상기 나선면(131) 끝단부에 혼합돌기(132)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 실린더(12)에 포함된 상기 혼합히터(121)는 복수개로 구성하되, 각각의 혼합히터(121)는 상기 스크류(13)의 압출방향을 따라 서로 일정한 간격으로 이격되어져 순차적으로 배열되어 질 수 있다.
추가적으로, 상기 실린더(12)는 상기 혼합히터(121)의 이격위치에 따라 복수개로 분할하여 구성하되, 상기 실린더(12)의 분할 면 사이에 열교차단재(123)가 삽입되어 질 수 있다.
한편, 상기 실린더(12) 내부의 압출방향 끝단부에 혼합부재(M)를 더 포함하여 구성될 수 있는 데, 상기 혼합부재(M)는 그물 망 또는 오리피스 망 중 하나이상 선택되어 구성될 수 있다.
여기서, 상기 혼합부재(M)는 30 내지 50 매쉬(mesh)의 망사로 구성된 제1 그물망(M1)과 200 내지 400 매쉬(mesh)의 망사로 구성된 제2 그물 망(M2)과 복수개의 구멍으로 구성된 오리피스 망(M3)으로 구성될 수 있다.
추가적으로, 상기 실린더(12)는 스크류(13) 압출방향 끝단부에 첨가제 투입부(14)를 더 포함하여 구성되고, 상기 첨가제 투입부(14)는 첨가재료를 도입하는 첨가제 투입공(141)과,
상기 첨가제 투입공(141)의 연장선상에 있는 첨가제 투입관(142)은 실린더(12) 내부로 연결되도록 구성되는 것일 수 있다.
여기서, 상기 첨가제 투입부(14)로 도입되는 상기 첨가재료는 분말원료 또는 액상원료로 구성되고, 상기 첨가재료 저장하기 위한 원료통(151)과 전기적 또는 기계적으로 원료의 공급량을 제어하기 위한 원료공급장치(152)를 포함하여 구성되는 것일 수 있다.
한편, 상기 첨가제 투입부(14)로 도입되는 상기 첨가재료는 비가소성 필라멘트(PN)로 구성되고, 상기 비가소성 필라멘트(PN)를 절단하기 위한 절단부재(16)를 더 포함하여 구성되는 것일 수도 있다.
추가적으로, 상기 회전축(130)과 노즐부 동력장치(10) 사이에 기계적으로 연결된 변속기어(101)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명은 상기의 이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐을 포함하는 3차원 프린터가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 3차원 프린터를 제어하기 위한 제어부(S)를 포함하고, 상기 제어부(S)는 압출제어부(S1)와 이송제어부(S2)로 구성되고, 상기 압출제어부(S1)는 노즐부 동력장치(10) 또는 변속기어(101)를 제어신호를 통해 압출속도 및 개별히터(111)와 혼합히터(121)를 제어하여 압출온도를 제어하도록 구성되고, 이송제어부(S2)는 제어신호를 통해 복수개의 이송부 동력장치(2a)의 회전속도를 개별적으로 제어하여 각기 다른 재료특성을 가진 필라멘트의 투입량을 개별적으로 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터일 수 있다.
종래 기술과 비교하여 이종재료의 혼합성능이 증가되며, 노즐의 크기를 매우 작고 가볍게 제작할 수 있으며, 재료의 투입량을 정밀하게 조절할 수 있으며, 유리섬유, 탄소섬유와 같은 열에 의해 용융되기 어려운 비가소성 필라멘트와 분말원료, 액상원료 등의 필라멘트로 가공되지 않은 원료 상태의 첨가물을 더 첨가하여 하나의 3차원 프린팅 노즐에서 혼합 및 출력할 수 있다.
도 1은 이종재료를 혼합하기 위한 노즐부와 노즐부로 필라멘트를 공급하기 위한 이송부를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2은 이종재료를 혼합하기 위한 노즐부의 구성을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 노즐부의 가열관으로부터 공급되는 필라멘트의 공급방향의 정면측 단면 방향에서 바라본 각도를 설명하기 위한 설명도이다.
도 4은 노즐부의 상측 단면도 구성도이다.
도 5은 노즐부의 가열관으로부터 공급되는 필라멘트의 공급방향을 기준으로한 상측 단면 방향에서 바라본 각도를 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 복수개의 혼합히터와 열교차단재를 더 포함하여 구성된 노즐부의 정면측 단면도이다.
도 7은 혼합부재를 더 포함하여 구성된 노즐부의 정면측 단면도이다.
도 8은 혼합부재의 구성 및 혼합원리를 설명하기 위한 사시도이다.
도 9은 노즐부에 있어서, 실린더하부에 첨가제 투입부를 더 포함하여 구성된 정면측 단면도이다.
도 10은 노즐부에 있어서, 분말원료, 액상원료를 더 첨가하기 위해 첨가제 투입부에 원료통과 원료공급장치가 더 추가된 노즐부의 정면측 구성도이다.
도 11은 노즐부에 있어서, 비가소성 필라멘트를 더 첨가하기 위해 첨가제 투입부에 원료통과 원료공급장치가 더 추가된 노즐부의 정면측 구성도이다.
도 12 및 도 13은 비가소성 필라멘트를 절단되는 절단부재 및 절단과정을 설명하기 위한 정면측 설명도이다.
도 14은 본 발명의 노즐부를 포함하는 3D프린터의 전체 구성도이다.
도 15은 본 발명의 노즐부 및 3D프린터를 제어하기 위한 제어부의 구성도이다.
도 16과 본 발명의 노블부의 실시 예에 따른 실제 설계도면이다.
도 17은 본 발명의 노블부의 실시 예에 따른 실제 제작된 노즐부의 사진이다.
도 18은 종래기술로 출력한 제품과 본 발명의 기술로 출력한 제품을 혼합성능을 비교설명하기 위한 비교설명도이다.
도 19는 종래기술에는 없는 본 발명의 기술로 출력한 제품의 효과를 설명하기 위한 실시예에 따른 예시도이다.
이하, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고 자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되어지며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구성요소의 폭, 길이, 두께 또는 형상 등은 과장되어 표현될 수도 있다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용된 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석 될 수 없다.
이하, "회전면의 접선방향"이라는 용어는 회전하는 물체의 한 점(접점)에 접하는 선분(접선)을 그어서, 회전하는 방향과 같은 방향이 되게 화살표를 그렸을 때의 방향을 말하고,
"그물 망" 이라는 용어는 망사형태의 그물을 포함하여 제공되는 혼합부재를 말하고,
"오리피스 망"이라는 용어는 일정 두께의 차단막에 하나이상의 오리피스 구멍을 포함하여 유체의 흐름과 압력을 변경시키는 혼합부재를 말한다.
"필라멘트"라는 용어는 길이 방향으로 길게 연결된 가는 실형태의 재료를 말하고, 여기서 "열가소성 필라멘트"라는 용어는 일정한 온도로 가열하면 열에 의해 용융되는 필라멘트 재료를 말하고, "비가소성 필라멘트"라는 용어는 반대로 열에 의해 용융되지 못하거나 용융되기 어려운 필라멘트 재료를 말한다.
또한, "원료"라는 용어는 필라멘트 상태로 가공되지 아니한 분말, 액상 형태의 재료를 말한다.
"점도(viscosity)"라는 용어는 끈적거림의 정도를 나타내는 것으로서 유체가 유동하고 있을 때, 인접하는 유체층간에 작용하는 단위 넓이당의 전단력은 그 위치의 속도 구배에 비례하며, 이 비례 정수를 총칭한다.
"열교차단재"란 단열성을 가진 재료로서 외부로의 열흐름을 차단할 수 있는 성질을 가진 재료를 말한다.
이하, 실시 예를 통해 상세하게 살펴보고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면,
도 1의 도시된 바와 같이 실시 예에서 본 발명의 구성특징을 포함한 노즐부(1)로 도입되는 열가소성 필라멘트(P)는 재료특성이 각기 다른 5종류의 다른 열가소성 필라멘트(P)가 사용되고, 각각의 상기 열가소성 필라멘트(P)는 개별적인 보빈(BP, BP1, BP2, BP3, BP4) 권취되어 이송부(2)의 이송부 동력장치(2a)와 기계적으로 연결된 이송롤러(2a)의 회전운동에 의해 공급속도가 제어되면서 튜브(T) 통해 노즐부(1)로 도입되도록 구성된다.
여기서, 상기 노즐부(1)는 재료특성이 각기 다른 열가소성 필라멘트(P)를 가열 및 용융하여 실린더(12)로 공급하는 복수개의 가열장치(11)로 구성하되, 상기 각각의 가열장치(11)는 상기 열가소성 필라멘트(P)가 지나가는 가열관(110)과 가열관(110)을 가열하기 위한 개별히터(111)로 구성되고, 상기 열가소성 필라멘트(P)가 상기 가열관(110)을 지나면서 각각의 열가소성 필라멘트(P)의 적정 용융온도까지 가열되어 완전히 용융된 유체상태로 실린더(12)로 내부로 공급되도록 구성되고,
상기 실린더(12)는 열가소성 필라멘트(P)를 혼합 및 재가열하기 위한 하나이상의 혼합히터(121)와, 상기 실린더(12) 내부에 회전축(130)을 따라 나선면(131)을 이룬 스크류(13)를 포함하고,
상기 회전축(130)은 노즐부 동력장치(10)와 기계적으로 연결되도록 구성된다.
여기서, 상기 노즐부 동력장치(10)와 상기 회전축(130) 사이에 기어비의 변환조작으로 다양한 속도비를 얻을 수 있는 변속기어(101)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 각기 다른 5종류의 다른 상기 열가소성 필라멘트(P)는 열가소성 필라멘트(P)와 각각 연결된 5개의 이송롤러(2a)의 회전속도에 따라 필라멘트 공급량이 서로 다르게 결정되고, 공급량에 대응하여 이종재료의 혼합비율이 결정된다.
도 2와 도 3에서 본 발명의 구성특징을 포함한 노즐부(1) 구성의 일 특징은
도 3의 (b) 그림과 같이 상기 열가소성 필라멘트(P)가 상기 가열관(110)을 지나 상기 실린더(12)로 공급되는 수직방향의 각도는 중력방향을 기준으로 90도 내지 120도를 이루도록 구성되어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 도 3의 (b) 그림에서 표시된 상기 열가소성 필라멘트(P) 투입방향의 임계각(중력방향을 기준으로 90도 내지 120도)을 초과하거나 미만이면 열가소성 필라멘트(P)투입량을 정확하게 제어할 수 없다.
예를 들어, 상기 가열관(110)의 필라멘트 투입방향이 중력방향을 기준으로 90도 미만이면, 가열관(110)을 지나면서 용융된 필라멘트 유체가 역방향 흘러내리는 튜브(T)내에 고이게 되는 문제가 발생한다. 또한, 3D프린터의 적층방식 특성상 상기 스크류(13)의 회전축(130)을 따라 형성된 나선면(131)의 압출방향이 중력아래 방향을 향하도록 되어있기 때문에 실린더(12) 내부로 공급되는 유체가 회전축(130)과 만나는 지점의 저항이 크고, 뷸규칙한 유동에 의해 유체의 공급량이 균일하지 못하게 된다.
상기와는 반대로, 상기 가열관(110)의 필라멘트 투입방향이 중력방향을 기준으로 120도를 초과하게 되면 가열관(110)으로부터 용융된 필라멘트가 중력에 의해 필라멘트 유체가 실린더로 내부로 흘러내리게 되어 공급량을 정확하게 제어하기 힘들게 된다.
여기서, 용융된 필라멘트 유체상태에서의 점도에 비례하여 상기 가열관(110)의 필라멘트 투입방향의 임계각을 중력방향을 기준으로 90도 내지 120도 내에서 높게 설정할 수 있으나, 120도를 초과하지 못한다.
이는 120도를 초과하게 되면 고점도의 필라멘트를 사용하더라도 가열관(110)의 지름이 1.5mm~2mm 이상일 경우 점성에 의해 가열관(110) 내부벽에 들러붙지 못하고 아래 방향으로 흘러내리게 된다. 통상, FDM 방식의 3D 프린터 노즐의 필라멘트 투입구의 지름은 5mm이상으로 구성되며 이는 사용되는 필라멘트가 1mm~ 10mm까지 다양한 굵기의 필라멘트를 사용하기 때문이다. 이로 인해 이송부(2)의 공급량과 달리 의도치 않게 실린더(12) 내부로 불규칙하게 흘러내리는 필라멘트 유체로 인해 혼합비율이 불규칙하고 정밀하지 못하게 된다.
도 2에서 도시된 바와 같이 가열관(110)의 가장 이상적인 필라멘트 투입각도는 중력방향을 기준으로 90도가 가장 바람직하며, 사용되는 열가소성 필라멘트(P)의 점도에 의한 흘러내리는 양의 변동이 적고, 다양한 점성의 열가소성 필라멘트를 사용한 시험에서 필라멘트 자체의 점성만으로 흘러내림이 거의 발생하지 않는 것을 시험을 통해 확인하였다.
추가적으로, 도 4와 도 5는 노즐부(1)의 상측 단면도이다.
여기서, 도 5에서는 부의 가열관으로부터 공급되는 필라멘트의 공급방향을 기준으로 상측 단면 방향에서 바라본 열가소성 필라멘트(P) 투입방향의 각도를 설명하고 있다.
도 5에서 설명하는 바와 같이 상기 열가소성 필라멘트(P)가 상기 가열관(110)을 지나 상기 실린더(12)로 공급되는 수평방향의 각도는 상기 스크류(13)의 회전면과 접선방향을 이루도록 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
상기에서 설명한 바와 같이 상기 스크류(13)의 회전면과 접선방향을 이루게 되면 열가소성 필라멘트(P) 유체가 스크류(13) 회전방향과 맞물려 균일한 속도로 공급되게 되며, 가열관(110)을 통과한 필라멘트 유체가 스크류(13)와 맞나는 지점에서 불균일 상류 유동을 제거하여 유체의 순간적인 역류를 현상을 방지할 수 있게 된다.
특히, 회전축(130)과 나선면(131) 꼬임방향과 일치될수록 더 정밀하게 투입량을 제어할 수 있다.
한편, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 상기 실린더(12) 내부에 포함된 상기 스크류(13)의 상기 나선면(131) 끝단부에 혼합돌기(132)를 더 포함하여 구성되는 것을 본 발명의 또 다른 특징으로 할 수 있다.
예를 들어, 상기 개별적인 가열관(110)으로부터 도입되는 각각의 열가소성 필라멘트를 가열관(110)을 지나면서 필라멘트의 융점온도까지 각기 가열하여 1차 용융된 유체가 실린더(12) 내부의 스크류(13) 나선면(131)을 따라 하부로 이동하면서 혼합히터(121)에 의해 혼합비율에 대응하여 유지의 융점온도로 2차 가열 및 혼합되면 회전축(130) 끝단부로 이동하면 상기혼합돌기(132)로 인해 발생되는 혼합운동과 불규칙 유동 및 압력변화로 인해 급격히 유체의 혼합성이 증가하게 되는 데 이러한 원리를 이용하여 스크류(13)의 길이를 짤게 하면서도 혼합성능을 높일 수 있게 된다.
바람직하게는, 솟은 혼합돌기(132)는 회전축(130)에서 불규칙적인 형상 또는 혼합돌기(132)의 위치를 불규칙적으로 구성하면 혼합성능을 더욱 증가 시킬 수 있으며, 혼합돌기(132)를 미세하게 형성하여 그 개수를 증가 시킬 수 록 혼합성능이 향상된다.
추가적으로, 도 6에서 도시된 바와 같이 상기 실린더(12)에 포함된 상기 혼합히터(121)는 복수개로 구성하되, 각각의 혼합히터(121)는 상기 스크류(13)의 압출방향을 따라 일정한 간격으로 이격되어 순차적으로 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 혼합히터(121)의 이격위치에 따라 복수개로 분할하여 구성하되, 상기 실린더(12)의 분할 면 사이에 열교차단재(123)가 추가로 삽입될 수 있다.
구체적으로, 상기 스크류(13)의 나선면(131)을 따라 하부로 유체가 이동하면서 상기 유체혼합됨에 따라 적절한 온도로 제어하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 서로 다른 융점온도를 지닌 폴리에스테르 필라멘트(융점: 255℃)와 나일론6-6 필라멘트(융점: 268.8°C), 폴리에테르이미드(융점:340~420°C)를 각각 사용하면 개별적인 필라멘트의 공급비율과 유체가 혼합된 정도를 나타내는 혼합계수에 대응하여 적절한 용융온도로 제어함으로써 혼합속도를 더욱 증가 시킬 수 있고, 유체의 잔류물을 최소화 하는 것이 가능하다.
추가적으로, 도 7에서 도시된 바와 같이 상기 실린더(12) 내부의 압출방향 끝단부에 그물 망 또는 오리피스 망 중 하나이상 선택되어 구성되는 혼합부재(M)를 더 포함하여 구성되는 것을 또 다른 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 도 8에서 상기 혼합부재(M)는 30~50 매쉬(mesh)의 망사로 구성된 제1 그물망(M1)과 200~400 매쉬(mesh)의 망사로 구성된 제2 그물 망(M2)과 복수개의 구멍으로 구성된 오리피스 망(M3)으로 구성된다.
상기 압출방향 끝단부에 위치한 혼합부재(M)를 통과하면서 제1 그물망(M1)와 제2 그물 망(M2)을 통과하면서 유체흐름을 급격히 변화하고 와류가 형성하여 비혼합 잔량을 제거한 후 오리피스 망(M3)에 형성된 복수개의 구멍을 통과하면서 그물망에 의해 형성된 와류가 제거하여 유체의 흐름을 다시 일정하게 바꾸어 토출공(122)으로 토출된다.
만약, 상기에서 그물망에 의해 형성된 와류를 오리피스 망(M3)을 통해 제거하지 않은 상태에서 토출하면 토출된 필라멘트에 유체가 꼬이거나 유체의 흐름이 끊어지는 현상으로 인해 적층에러가 발생하게 된다.
한편, 도 9에서 도시된 바와 같이 본 발명의 노즐부(1)는 실린더(12)는 스크류(13) 압출방향 끝단부에 첨가제 투입부(14)를 더 포함하여 구성될 수 있고, 상기 첨가제 투입부(14)는 첨가재료를 도입하는 첨가제 투입공(141)과, 상기 첨가제 투입공(141)의 연장선상에 있는 첨가제 투입관(142)은 실린더(12) 내부로 연결되도록 구성된다.
여기서, 도 10과 같이 상기 첨가제 투입부(14)로 도입되는 상기 첨가재료는 분말원료 또는 액상원료로 구성되고,
상기 첨가재료 저장하기 위한 원료통(151)과 전기적 또는 기계적으로 원료의 공급량을 제어하기 위한 원료공급장치(152)를 포함하여 구성되는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 첨가제는 필라멘트의 연성을 조절하는 종류의 분말원료를 첨가제사용하여 원료의 공급량을 조절함으로써 토출공(122)에서 토출되는 필라멘트의 유연한 정도를 사용자의 설정에 따라 각기 다르게 하여 적층할 수 있다.
추가적으로, 도 11과 도 12, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 첨가제 투입부(14)로 도입되는 상기 첨가재료는 비가소성 필라멘트(PN)로 구성되고,
상기 비가소성 필라멘트(PN)를 절단하기 위한 절단부재(16)를 더 포함하여 구성되는 것일 수 있다.
도 11과 도 12에서는 비가소성 필라멘트(PN)를 이송롤러(2a)를 공급방향과 반대방향으로 회전시키면 내부의 절단부재(16a)에 의해 절단되도록 구성하였으며, 도 13에서는 노즐부의 토출공(122) 부근에 절단부재(16b)를 부착하여 절삭력에 의해 절단되도록 구성하였다.
도 13의 경우, 절단부재(16b)는 토출방향과 직각으로 움직이는 칼날에 의해 절단되어지도록 구성된다.
도 14는 본 발명의 이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐을 포함하여 구성된 3차원 프린터의 실시 예를 도시하였으며, 도 15에서 상기 3차원 프린터를 제어하기 위한 제어부(S)는 출제어부(S1)와 이송제어부(S2)로 구성되고,
상기 압출제어부(S1)는 노즐부 동력장치(10) 또는 변속기어(101)를 제어신호를 통해 압출속도 및 개별히터(111)와 혼합히터(121)를 제어하여 압출온도를 제어하도록 구성되고,
이송제어부(S2)는 제어신호를 통해 복수개의 이송부 동력장치(2a)의 회전속도를 개별적으로 제어하여 각기 다른 재료특성을 가진 필라멘트의 투입량을 개별적으로 조절하도록 구성된다.
도 16는 본 발명 노블부(1)의 실시 예에 따른 실제 부품의 설계도면이며, 도 17은 실시 예에 따라 제작된 실제 제작된 노즐부의 사진이다.
도 18은 종래기술로 출력한 제품과 본 발명의 기술로 출력한 제품을 혼합성능을 비교설명하기 위한 비교설명도로써, 도 18에서 (e)그림은 종래기술로 출력한 제품의 혼합성능을 나타낸 사진이며, (f)그림은 본 발명의 기술로 출력한 제품의 혼합성능을 나타낸 사진이다.
구체적으로, 도 18에서 사용된 열가소성 필라멘트는 CMYK 색상 및 White 색상의 필라멘트를 사용하였고, 5개 색상의 필라멘트 모두 동일한 PLA계열의 재료를 사용하였다.
(e)그림의 경우, 본 발명의 동일출원인으로부터 제안된 대한민국 특허출원 번호 "10-2014-0039111"에 게시된 노즐을 사용하여 조형물을 출력하였으며, (f)그림의 경우, 본 발명의 노즐부(1)를 사용하여 출력하였다.
구체적으로 살펴보면 (e)그림의 경우 동일한 재료특성을 가진 필라멘트를 혼합하였음에도 불구하고 표면의 색상혼합이 완전하지 못하고 필라멘트 원색에 근접한 색상이상을 출력하기 어려운 것을 알 수 있으며, (f)그림의 경우 색상혼합이 매우 균일하고 선명한 것을 알 수 있으며, 색상 변화가 자유롭고 재료의 혼합비율을 급격하게 변경하여 출력할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 19는 종래기술에는 없는 본 발명의 기술로 출력한 제품의 효과를 설명하기 위한 실시예에 따른 예시도를 첨부하였다.
도 19에서 예시된 바와 같이 본 발명의 노즐부(1)를 사용하여 3차원 프린터로 출력하면, 탄소, 유리, 울템 계열의 고강도 재료 공급비율을 높여 강도가 높은 부위와, PC계열의 투명도가 높은 재료 공급비율을 높여 투명한 부위와 우레탄 계열의 높은 유연성이 높은 재료 공급비율을 높여 투명한 부위를 각각 하나의 노즐부(1)에서 출력하여 조형물을 한번에 생성할 수 있다.
다양한 특성의 재료를 혼합하여 새로운 특성을 가진 조형물을 출력할 수 있어, 기존 3D프린터와 달리 완전한 하나의 제품을 성형할 수 있어, 손가락보조기, 의수, 의족 등 의료용 보조기기를 인체에 모형에 따라 일체로 제조할 수 있으며, 그 외 실사용이 가능한 각종산업용 부품을 하나의 3D프린터에서 출력할 수 있다.

Claims (15)

  1. 이종재료를 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐(1)의 구성에 있어서,
    재료특성이 각기 다른 열가소성 필라멘트(P)를 가열 및 용융하여 실린더(12)로 공급하는 복수개의 가열장치(11)로 구성하되, 상기 각각의 가열장치(11)는 상기 열가소성 필라멘트(P)가 지나가는 가열관(110)과 가열관(110)을 가열하기 위한 개별히터(111)로 구성되고,
    상기 열가소성 필라멘트(P)가 상기 가열관(110)을 지나 상기 실린더(12)로 공급되는 수직방향의 각도는 중력방향을 기준으로 90도 내지 120도를 이루도록 구성되고,
    상기 실린더(12)는 열가소성 필라멘트(P)를 혼합 및 재가열하기 위한 하나이상의 혼합히터(121)와, 상기 실린더(12) 내부에 회전축(130)을 따라 나선면(131)을 이룬 스크류(13)를 포함하고,
    상기 회전축(130)은 노즐부 동력장치(10)와 기계적으로 연결되는 것을 특징으로 하는
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열가소성 필라멘트(P)가 상기 가열관(110)을 지나 상기 실린더(12)로 공급되는 수평방향의 각도는 상기 스크류(13)의 회전면과 접선방향을 이루도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 실린더(12) 내부에 포함된 상기 스크류(13)의 상기 나선면(131) 끝단부에 혼합돌기(132)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 실린더(12)에 포함된 상기 혼합히터(121)는 복수개로 구성하되, 각각의 혼합히터(121)는 상기 스크류(13)의 압출방향을 따라 순차적으로 배열되는 것을 특징으로 하는
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  5. 제 4항에 있어서,
    복수개의 상기 혼합히터(121)는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배열되는 것을 특징으로 하는
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 실린더(12)는 상기 혼합히터(121)의 이격위치에 따라 복수개로 분할하여 구성하되, 상기 실린더(12)의 분할 면 사이에 열교차단재(123)가 추가로 삽입되는 것을 특징으로 하는
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 실린더(12) 내부의 압출방향 끝단부에 혼합부재(M)를 더 포함하여 구성된
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 혼합부재(M)는 그물 망 또는 오리피스 망 중 하나이상 선택되어 구성되는 것을 특징으로 하는
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 혼합부재(M)는 30 내지 50 매쉬(mesh)의 망사로 구성된 제1 그물망(M1)과 200 내지 400 매쉬(mesh)의 망사로 구성된 제2 그물 망(M2)과 복수개의 구멍으로 구성된 오리피스 망(M3)으로 구성되는 것을 특징으로 하는
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  10. 제 1항 네지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더(12)는 스크류(13) 압출방향 끝단부에 첨가제 투입부(14)를 더 포함하여 구성되고,
    상기 첨가제 투입부(14)는 첨가재료를 도입하는 첨가제 투입공(141)과,
    상기 첨가제 투입공(141)의 연장선상에 있는 첨가제 투입관(142)은 실린더(12) 내부로 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 첨가제 투입부(14)로 도입되는 상기 첨가재료는 분말원료 또는 액상원료로 구성되고,
    상기 첨가재료 저장하기 위한 원료통(151)과 전기적 또는 기계적으로 원료의 공급량을 제어하기 위한 원료공급장치(152)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 첨가제 투입부(14)로 도입되는 상기 첨가재료는 비가소성 필라멘트(PN)로 구성되고,
    상기 비가소성 필라멘트(PN)를 절단하기 위한 절단부재(16)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 회전축(130)과 노즐부 동력장치(10) 사이에 기계적으로 연결된 변속기어(101)를 더 포함하여 구성된
    이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐.
  14. 제 1항 내지 제 13항의 이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐을 포함하는 3차원 프린터.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 3차원 프린터를 제어하기 위한 제어부(S)를 포함하고,
    상기 제어부(S)는 압출제어부(S1)와 이송제어부(S2)로 구성되고,
    상기 압출제어부(S1)는 노즐부 동력장치(10) 또는 변속기어(101)를 제어신호를 통해 압출속도 및 개별히터(111)와 혼합히터(121)를 제어하여 압출온도를 제어하도록 구성되고,
    이송제어부(S2)는 제어신호를 통해 복수개의 이송부 동력장치(2a)의 회전속도를 개별적으로 제어하여 각기 다른 재료특성을 가진 필라멘트의 투입량을 개별적으로 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
PCT/KR2016/013687 2016-08-22 2016-11-25 이종재료 혼합성능이 증가된 3차원 프린팅 노즐, 이를 포함하는 3차원 프린터 WO2018038326A1 (ko)

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