WO2019225857A1

WO2019225857A1 - Sls 방식 3d 프린터의 조형챔버 교체구조

Info

Publication number: WO2019225857A1
Application number: PCT/KR2019/004316
Authority: WO
Inventors: 노승모
Original assignee: Noh Seung Mo
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2019-11-28
Also published as: KR101954019B1

Abstract

본 발명은 컴퓨터를 포함하는 선택적 레이저 소결 조형(Selective laser sintering : SLS)방식의 3D 프린터의 조형챔버 교체구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분말형태의 재료에 자외선보다 강한 레이저를 주사하여 분말재료를 녹이고 굳혀 전통적인 금속 부품을 생산하는 선택적 레이저 소결조형에서 성형품을 성형하는 조형챔버를 교체 가능한 카트리지로서 구성하여 승강장치와 분리 형성하고 금속부품의 조형이 완료된 조형챔버를 승강장치와 함께 이송장치에 의해 프린터의 외부로 이송시켜 턴테이블을 이용한 회전장치에 의해 새로운 조형챔버와 교체시키므로서 성형품의 취출을 위한 프린팅작업의 중단없이 연속적인 조형작업을 가능하게 한 SLS 방식 3D 프린터의 조형챔버 교체구조에 관한 것이다.

Description

SLS 방식 3D 프린터의 조형챔버 교체구조

근래에는 3차원 데이터를 이용하여 복잡한 구조의 제품을 다양한 디자인으로 손쉽게 성형하여 제작하는 3D 프린터가 상용화되어 사용되고 있다.

금속소재를 이용하여 3D 프린팅을 수행하는 기술은 조형방식에 따라 고체 기반의 압출 적층방식인 FDM, 파우더 기반의 SLS, 광경화성 액체 기반의 SLA, 라미네이트 방식의 LOM 으로 크게 나뉘는 데, 그중에서 분말소재를 얇게 펼쳐서 배열한 뒤에 자외선보다 강한 CO2 레이저를 주사하여 소재를 소결하고 다시 그위에 분말소재를 올려 레이저로 소결하는 반복적인 작업으로 다품종의 제품을 빠른 속도로 대량생산할 수 있는 선택적 레이저 소결 조형(SLS)방식의 3D 프린터가 많은 관심을 받고 있다.

이러한 SLS 방식의 3D 프린터는 파우더 베드가 피스톤에 의해 승하강되게 설치된 조형챔버와 상기 조형챔버의 내부에 분말소재를 공급하는 소재 카트리지와, 상기 소재 카트리지로 부터 일정량의 분말소재를 조형챔버의 파우더 베드의 상면에 얇게 펼쳐 공급하는 레벨링 롤러와, 레이저 및 스캐너 시스템으로 크게 구성되어 있으며, 조형챔버에서 조형이 끝나면 성형품을 분말소재와 함께 피스톤에 의해 상승시켜 별도의 카트리지에 성형품과 분말소재를 담아 외부에서 성형품을 분리해내는 작업을 하게 된다.

따라서, 종래의 SLS 방식의 3D 프린터는 제품 성형후 제품을 취출시 성형품과 분말소재를 챔버로 부터 상승시켜 별도의 카트리지에 옮겨 담은 후 프린터로 부터 분리하여 취출하게 되므로 분말소재를 옳게 담고 취출하는 작업이 수동적으로 이루어지게 됨에 따라 불편하고 작업시간이 오래 걸리는 문제가 있고, 또 조형작업이 완료된 후 프린터 기계에 설치된 진공흡입기로서 분말소재를 흡입하면서 브러쉬로 제품에 묻은 분말을 제거하는 방법으로 취출하는 방법도 사용되고 있으나 이는 취출작업을 하는 데 소요되는 많은 시간 중에는 조형작업을 할 수 없어 연속적이고 효율적인 성형작업을 할 수 없는 폐단이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 조형챔버를 내부에 베드테이블이 설치된 상태의 카트리지로 승강장치와 별도 분리 또는 결합가능하게 구성하고, 조형이 완료된 조형챔버를 유압실린더에 의해 승강장치와 함께 프린터의 외부에 설치된 턴테이블로 이동시킨 상태에서 턴테이블을 회전시켜 반대쪽에 비치한 빈 조형챔버와 자리바꿈함과 동시에 승강장치와 결합하여 유압실린더에 의해 빈 조형챔버를 프린터의 내부로 후진시킴으로써 연속적인 조형작업을 할 수 있게 하여 성형품의 생산성을 높이고 작업의 편리함을 제공할 수 있게 한 SLS 방식 3D 프린터의 조형챔버 교체구조를 제공하는 데 있다.

본 발명은 이와같은 목적을 달성하기 위한 수단으로, 레이저 장치, XY축 테이블, 조형챔버의 내부에서 리드스크류와 피스톤으로 구성된 승강장치에 의해 승하강되는 Z축 베드테이블, 소재공급장치, 레벨링 롤러를 포함하여 이루어지고 상기 베드테이블이 내부에 설치된 조형챔버를 독립적인 카트리지로 구성하고 리드스크류와 피스톤으로 이루어진 승강장치와 분리 결합되도록 설치되며, 상기 조형챔버와 분리 결합되는 승강장치는 브라켓트에 설치된 유압실린더에 의해 프린터의 외측에 설치된 턴테이블에 이동자재되게 설치된 것에 있어서, 상기 조형챔버의 내부에 설치된 베드테이블의 저면 내부 양측에는 한개의 메인바에 다수개의 록킹바를 횡설한 록킹장치가 안내홈에 슬라이딩 가능하게 설치되어 있되 메인바의 안내돌기에 탄설한 스프링의 외향탄발력으로 조형챔버의 측벽 하부에 형성된 구멍에 삽입되어 베드테이블과 조형챔버가 결합된 상태에서 승강장치의 피스톤의 양측을 관통하는 캠축의 상단에 형성된 캠이 안내홈의 내부에서 회전되면서 메인바를 스프링의 압축과 함께 내측으로 이동시켜 록킹바를 구멍으로 부터 이탈시킴으로써 베드테이블과 조형챔버가 분리되도록 구성됨을 특징으로 하는 SLS 방식 3D 프린터의 조형챔버 교체구조를 제공한다.

또한, 상기 턴테이블은 회전축을 중심으로 대칭되는 두 개 한 조로 이루어져 성형작업이 완료된 조형챔버와 성형작업을 할 새로운 조형챔버카트리지가 각각 안치되고, 조형챔버와 승강장치가 유압실린더에 의해 이동시 베드테이블과 결합된 피스톤이 들어갈 수 있도록 중간에 요입부가 형성된 말발굽형태로 이루어짐을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 조형챔버를 교체 가능한 카트리지로 구성하여 조형완료와 동시에 이송장치에 의해 밖으로 이송시킴과 동시에 턴테이블의 회전으로 새로운 조형챔버를 프린터의 내부로 배치시켜 연속적인 성형작업이 이루어지므로서 생산성이 향상되고 종래 조형이 끝난 분말소재를 성형품과 같이 외부로 들어내거나 진공흡입기로서 흡입시켜 성형품을 취출하는 것에 비해 효율적인 작업을 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일부 단면 정면 예시도

도 2는 조형챔버와 턴테이블의 설치 상태도,

도 3은 본 발명의 조형챔버가 승강장치에 의해 상승된 상태의 단면도

도 4는 본 발명의 조형챔버가 턴테이블에 안치된 상태의 단면도

도 5는 조형챔버의 측부에 설치된 턴테이블의 회전 작동 설명 평면도

도 6은 파우더 베드의 저면에 설치된 록킹장치의 평면도

도 7은 록킹장치의 부분 확대 단면도

도 8은 도 7의 "가-가" 선 단면도

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 일반적인 SLS 방식 3D 프린터는 레이저 장치(100), XY축 테이블(200), 조형챔버(300)의 내부에서 리드스크류(1)와 피스톤(2)으로 구성된 승강장치(400)에 의해 승하강되는 Z축 베드테이블(500), 소재공급장치(600), 레벨링 롤러(700)를 포함하여 이루어져 있다.

이와같은 장치는 베드테이블(500)이 승강장치(400)에 의해 조형챔버(300)의 내부 상단에 배치된 상태에서 소재공급장치(600)에 저장된 분말소재(M)가 레벨링 롤러(700)에 의해 얇게 펼쳐져 배열되면 성형품의 형상대로 레이저 장치(100)가 레이저를 주사하여 분말소재(M)를 소결시키고 이어서 베드테이블(500)이 하강하면 다시 소재공급장치(600)의 분말소재(M)가 레벨링 롤러(700)에 의해 베드테이블(500)의 상면에 얇게 펼쳐져 레이저에 의해 다시 소결되는 과정을 반복함으로써 실제 물체처럼 입체감있게 제품을 생산하게 됨은 공지된 바와 같다.

본 발명은 이와같은 종래의 3D 프린터에서 베드테이블(500)이 내부에 설치된 조형챔버(300)를 카트리지로서 독립적으로 구성하고 리드스크류(1)와 피스톤(2)으로 이루어진 승강장치(400)와 분리 결합되도록 설치되며, 상기 조형챔버(300)와 분리 결합되는 승강장치(400)는 브라켓트(3)에 설치된 유압실린더(4)에 의해 외측에 설치된 턴테이블(800)에 이동자재되게 설치된다.

상기 조형챔버(300)의 내부에 설치된 베드테이블(500)의 저면 내부 양측에는 한개의 메인바(5)에 다수개의 록킹바(6)(6')를 횡설한 록킹장치(510)가 안내홈(7)에 슬라이딩 가능하게 설치되어 있되 메인바(5)의 안내돌기(8)에 탄설한 스프링(9)에 의해 외향탄발되어 조형챔버(300)의 측벽 하부에 형성된 구멍(10)(10')에 삽입됨으로써 베드테이블(500)과 조형챔버(300)가 결합된 상태에서 승강장치(400)의 피스톤(2)의 양측을 관통하는 캠축(11)의 상단에 형성된 캠(12)이 모터(P)에 의해 안내홈(7)의 내부에서 회전되면서 메인바(5)를 스프링(9)의 압축과 함께 내측으로 이동시켜 록킹바(6)(6')를 구멍(10)(10')으로 부터 이탈시킴으로써 베드테이블(500)과 조형챔버(300)가 분리되도록 구성되어 있다.

또한, 턴테이블(800)은 회전축(13)을 중심으로 대칭되는 두 개 한 조로 이루어져 성형작업이 완료된 조형챔버(300)와 성형작업을 할 새로운 조형챔버(300)카트리지가 각각 안치되고, 조형챔버(300)와 승강장치(400)가 유압실린더(4)에 의해 이동시 베드테이블(500)과 결합된 피스톤(2)이 들어갈 수 있도록 중간에 요입부(810)가 형성된 말발굽형태로 이루어진다.

그리고, 턴테이블(800)의 상면과 조형챔버(300)의 외저면에는 계합돌기(14)와 계합홈(15)이 각각 형성되어 결합시 유동을 방지하고, 또한, 조형챔버(300)의 베드테이블(500)의 저면과 피스톤(2)의 상면에도 유동을 방지하는 계합돌기(14)와 계합홈(15)이 형성되어 있다.

이와같이 된 본 발명은 조형챔버(300)를 승강장치(400)와 분리하여 각각 독립적인 카트리지 형식으로 형성하고 조형챔버(300)의 내부에서 승강되는 베드테이블(500)은 조형챔버(300)와 록킹장치(510)에 의해 결합 또는 분리되게 설치되며 또 조형챔버(300)와 분리 결합되는 승강장치(400)는 브라켓트(3)에 설치된 유압실린더(4)에 의해 외측에 설치된 턴테이블(800)에 이동자재되게 설치되어 있으므로 조형챔버(300)가 결합된 승강장치(400)를 유압실린더(4)에 의해 이동시키면 조형장치와 승강장치(400)는 도 2에 도시된 바와 같이 프린터의 외측으로 이동이 이루어지게 된다.

이와같이 조형챔버(300)를 승강장치(400)와 함께 이동시킬 때에는 조형챔버(300)에서 조형작업이 완료된 상태로서 이동시 베드테이블(500)의 유동이 방지되도록 조형챔버(300)와 록킹장치(510)로서 록킹되어 일체가 된 상태로 이송되는 데 록킹장치(510)는 베드테이블(500)의 안내홈(7)에 슬라이딩 가능하게 끼워 설치된 메인바(5)의 안내돌기(8)가 스프링(9)에 의해 외향 탄발되도록 되어 있으므로 메인바(5)는 베드테이블(500)의 외측으로 밀려나 이에 분기 횡설된 다수개의 록킹바(6)(6')가 조형돌기의 측벽 하부에 뚫린 구멍(10)(10')속에 끼워져 록킹됨에 따라 조형챔버(300)와 베드테이블(500)은 일체로 결합된 상태에 있다.

이와 반대로 조형챔버(300)의 내부에서 조형작업을 할 때에는 베드테이블(500)이 조형장치의 내부에서 승강되어야 하므로 조형챔버(300)와 서로 분리되어야 하는 바 이때에는 승강장치(400)의 피스톤(2)의 양측을 관통하는 캠축(11)의 상단에 형성된 캠(12)을 작동시키는 모터(P)를 작동시키게 되면 베드테이블(500)의 안내홈(7)의 내부에서 캠(12)이 회전되면서 도 7과 같이 메인바(5)를 스프링(9)의 압축과 함께 내측으로 이동시켜 록킹바(6)(6')를 구멍(10)(10')으로 부터 이탈시키게 되므로 베드테이블(500)과 조형챔버(300)는 서로 분리되어 조형작업시 베드테이블(500)이 하강 또는 상승될 수 있게 된다.

또한, 턴테이블(800)은 도 5에 도시된 바와 같이 회전축(13)을 중심으로 대칭되는 두개 한 조로 이루어지고 조형챔버(300)와 승강장치(400)가 유압실린더(4)에 의해 이동시 베드테이블(500)과 결합된 피스톤(2)이 들어갈 수 있도록 중간에 요입부(810)가 형성된 말발굽형태로 이루어져 성형이 완료된 조형챔버(300)와 내부가 빈 새로운 조형챔버(300)가 각각 안치되는 것으로 조형이 완료되면 캠(12)을 원상태로 회전시켜 스프링(9)의 탄발복귀력으로 록킹장치(510)의 록킹바(6)(6')를 조형챔버(300)의 구멍(10)(10')에 끼워 록킹하고 조형챔버(300)를 승강장치(400)의 피스톤(2)으로 약간 상승시킨 상태에서 유압실린더(4)에 의해 승강장치(400)와 조형챔버(300)가 외측의 턴테이블(800)로 전진 이송되면 말발굽 형태로 중간에 요입부(810)가 형성된 턴테이블(800)의 속으로 피스톤(2)이 들어가 턴테이블(800)의 상부에는 조형챔버(300)가 그리고 하부에는 승강장치(400)가 각각 위치되어지고 이 상태에서 피스톤(2)을 원래의 위치로 하강시키게 되면 조형챔버(300)는 턴테이블(800)의 상면에 계합돌기(14)와 계합홈(15)의 결합으로 안정되게 안착되어진다.

이와같이 조형챔버(300)가 턴테이블(800)에 안착되면 승강장치(400)의 작동으로 피스톤(2)을 하강시키고 피스톤(2)을 베드테이블(500)과 완전 분리시킨 상태에서 턴테이블(800)을 회전시켜 조형챔버(300)의 위치를 서로 바꾸게 되면 성형이 완료된 조형챔버(300) 카트리지는 반대쪽에 오게 되고 빈 조형챔버(300) 카트리지는 승강장치(400)의 상측에 위치하게 된다.

이 상태에서 승강장치(400)를 상승시켜 피스톤(2)과 베드테이블(500)을 결합시키고 이어서 조형챔버(300)가 도 3과 같이 턴테이블(800)과 분리되도록 조금 더 상승시킨 상태에서 유압실린더(4)를 프린터의 내부로 후진시키고 승강장치(400)의 피스톤(2)을 원위치로 하강시킴과 동시에 캠(12)을 회전시켜 록킹장치(510)를 풀어 베드테이블(500)이 조형장치와 분리되게 한 후 전기한 바와 같은 새로운 조형작업을 실시하게 되면 프린팅 작업을 멈추지 않고 연속적으로 실시할 수 있게 되는 것이다.

이상과 같은 작동과정을 요약하면, 프린터의 내부에 베드테이블(500)과 조형챔버(300)가 분리된 상태에서 분말소재(M)의 레이저 소결작업이 완료되면 캠(12)을 회전시켜 록킹장치(510)의 해정으로 베드테이블(500)과 조형챔버(300)를 일체로 결합하고 승강장치(400)의 피스톤(2)을 상승시켜 조형챔버(300)를 약간 상승시킨 상태에서 유압실린더(4)의 작동으로 승강장치(400)를 프린터의 외부로 전진시키게 되면 조형챔버(300)와 승강장치(400)는 프린터의 외부에 설치된 턴테이블(800)의 요입부(810)를 통해 들어가게 되고 이 상태에서 피스톤(2)을 하강시켜 조형챔버(300)를 턴테이블(800)과 결합한 상태에서 피스톤(2)을 조금 더 하강시킨 다음 턴테이블(800)을 회전시켜 턴테이블(800)에 비치된 빈 조형챔버(300)가 승강장치(400)의 상부에 오도록 위치를 교환하여 턴테이블(800)과 분리시키고 유압실린더(4)를 후진시켜 새로운 조형챔버(300)가 프린터의 내부로 오게 하면 프린팅 작업을 멈추지 않고 연속적으로 실시할 수 있게 되고, 조형작업이 완료된 조형챔버(300)는 턴테이블(800)로 부터 들어내어 성형물을 취출하고 분말소재(M)는 재사용하면 매우 편리하게 프린팅작업을 할 수 있게 된다.

이와같이 본 발명은 조형챔버(300)를 승강장치(400)와 분리하여 카트리지로 구성하고 이를 기계적으로 교체할 수 있게 함으로써 종래 프린터에서 성형품을 취출하거나 성형품을 분말소재(M)와 함께 외부로 들어내어 작업하는 것에 비해 프린팅 작업을 멈추지 않고 연속적으로 실시할 수 있어 매우 효율적이 생산성이 높아지는 장점이 있고 작업시간도 단축할 수 있는 효과도 아울러 가진다.

Claims

레이저 장치(100), XY축 테이블(200), 조형챔버(300)의 내부에서 리드스크류(1)와 피스톤(2)으로 구성된 승강장치(400)에 의해 승하강되는 Z축 베드테이블(500), 소재공급장치(600), 레벨링 롤러(700)를 포함하여 이루어지고 상기 베드테이블(500)이 내부에 설치된 조형챔버(300)를 독립적인 카트리지로 구성하여 리드스크류(1)와 피스톤(2)으로 이루어진 승강장치(400)와 분리 결합되도록 설치되며, 상기 조형챔버(300)와 분리 결합되는 승강장치(400)는 브라켓트(3)에 설치된 유압실린더(4)에 의해 프린터의 외측에 설치된 턴테이블(800)에 이동자재되게 설치된 것에 있어서, 상기 조형챔버(300)의 내부에 설치된 베드테이블(500)의 저면 내부 양측에는 한개의 메인바(5)에 다수개의 록킹바(6)(6')를 횡설한 록킹장치(510)가 안내홈(7)에 슬라이딩 가능하게 설치되어 있되 메인바(5)의 안내돌기(8)에 탄설한 스프링(9)의 외향 탄발력으로 조형챔버(300)의 측벽 하부에 형성된 구멍(10)(10')에 삽입되어 베드테이블(500)과 조형챔버(300)가 결합된 상태에서 승강장치(400)의 피스톤(2)의 양측을 관통하는 캠축(11)의 상단에 형성된 캠(12)이 안내홈(7)의 내부에서 회전되면서 메인바(5)를 스프링(9)의 압축과 함께 내측으로 이동시켜 록킹바(6)(6')를 구멍(10)(10')으로 부터 이탈시킴으로써 베드테이블(500)과 조형챔버(300)가 분리되도록 구성됨을 특징으로 하는 SLS 방식 3D 프린터의 조형챔버 교체구조.됨을 특징으로 하는 SLS 방식 3D 프린터의 조형챔버 교체구조.
제 1 항에 있어서, 턴테이블(800)은 회전축(13)을 중심으로 대칭되는 두 개 한 조로 이루어져 성형작업이 완료된 조형챔버(300)와 성형작업을 할 새로운 조형챔버(300)카트리지가 각각 안치되고, 조형챔버(300)와 승강장치(400)가 유압실린더(4)에 의해 이동시 베드테이블(500)과 결합된 피스톤(2)이 들어갈 수 있도록 중간에 요입부(810)가 형성된 말발굽형태로 이루어짐을 특징으로 하는 SLS 방식 3D 프린터의 조형챔버 교체구조.