KR20240077496A - 온도 제어 롤러를 구비한 3d 프린팅 장치 및 3d 프린팅 방법 - Google Patents

온도 제어 롤러를 구비한 3d 프린팅 장치 및 3d 프린팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 3D 프린팅 시 생성되는 적층레이어를 가압하는 수단을 형성시키고, 이와 같은 가압 수단에 대한 온도 조절이 수행되도록 하는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치는, 외부로부터 전달받은 적층재료를 용융시켜 적층물질을 압출하는 압출기 및, 압출기로부터 적층물질을 전달받아 토출하여 적층레이어를 형성하는 노즐을 구비하는 적층헤드; 노즐에 인접하게 형성되고, 노즐을 따라 이동하면서 회전을 수행하여 적층레이어를 가압하며, 내부에 형성되는 유로를 구비하는 롤러부; 및 롤러부와 결합하여 롤러부를 지지하고, 롤러부의 유로로 유체인 온도조절유체를 공급하는 유체공급부를 포함한다.

Description

온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치 및 3D 프린팅 방법 {AN apparatus for 3D printing having a temperature-controlled roller and a method for 3D printing using the same}
본 발명은 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치 및 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 3D 프린팅 시 생성되는 적층레이어를 가압하는 수단을 형성시키고, 이와 같은 가압 수단에 대한 온도 조절이 수행되도록 하는 기술에 관한 것이다.
탄소섬유강화 복합재(CFRP; Carbon Fiber Reinforced Plastic)란 강도와 탄성률(강성)이 높은 탄소섬유와 고분자인 수지가 복합된 재료 및 제품이며, CFRP는 수지의 종류에 따라서 열경화성 CFRP와 열가소성 CFRP로 나뉘며, 탄소섬유의 길이에 따라 단섬유, 장섬유, 연속섬유 CFRP로 구분되는데, 이와 같은 탄소섬유강화 복합재는 기계적 특성 등이 우수하여 다양한 산업 기술 분야에서 적용되는 범위가 확대되고 있다.
특히, 탄소섬유강화 복합재는 자동차, 항공기 부품 등에 다수 이용되고 있으며, 이에 따라, 탄소섬유강화 복합재를 이용하여 대형의 부품을 제조하는 경우가 증가하고 있다. 대형 부품을 3D 프린터로 제작 시, 복잡한 형상의 제품 구현 및 조립되는 전체 부품 수를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
대형 제품의 3D 프린팅을 수행하기 위하여, FDM(Fused Deposition Modeling) 방식, SLA(Stereo Lithography Apparatus) 방식, 와이어 용융 제조(WAAM) 방식, 바인더 젯(Binder Jet) 방식 등이 이용되고 있는데, 탄소섬유강화 복합재를 이용한 3D 프린팅에서는 FDM 방식이 주로 이용되고 있다.
FDM 방식은, FFF 방식으로도 불리우며, 해당 재료를 열에 의해 녹여 일정 압력으로 노즐을 통하여 압출해가며 적층 조형하는 방식이다. 이와 같은 FDM 방식에 이용되는 소재는 연속된 필라멘트 형상 또는 복수 개의 분절된 필라멘트(Chpperd CFRP) 형상으로 공급되어 이용되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-2033459호(발명의 명칭: 3D 프린터)에서는, 용용된 소재를 분사하여 프린팅 작업을 수행하는 성형노즐; 상기 성형노즐을 X축 방향(좌우 방향)으로 이동시키는 X축 이동기; 상기 성형노즐을 Y축 방향(전후 방향)으로 이동시키는 Y축 이동기; 상기 성형노즐을 Z축 방향(수직 방향)으로 이동시키는 Z축 이동기; 상기 성형노즐, X축 이동기, Y축 이동기, Z축 이동기를 설치하기 위해 마련되며, 적어도 상부가 개방된 보호벽; 상기 성형노즐, X축 이동기, Y축 이동기, Z축 이동기의 작동에 따라서 프린팅되는 제품에 복사열을 발생시키기 위해 구비되는 다수의 적외선 히터; 상기 다수의 적외선 히터의 위치를 가변시키기 위한 위치 가변기; 상기 다수의 적외선 히터가 조사하는 적외선의 조사 방향을 조절하기 위한 방향 조절기; 및 프로그래밍된 프린팅되는 제품의 크기, 형상, 프린팅 소재 및 프린팅 속도에 기반하여 상기 방향 조절기를 작동시켜서 상기 다수의 적외선 히터에 의한 적외선 조사 방향을 설정하고, 상기 다수의 적외선 히터의 온(ON)/오프(OFF)를 제어하는 제어기;를 포함하는 3D 프린터가 개시되어 있다.
대한민국 등록특허 제10-2033459호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 3D 프린팅 시 생성되는 적층레이어를 가압하는 수단을 형성시키고, 이와 같은 가압 수단에 대한 온도 조절이 수행되도록 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 외부로부터 전달받은 적층재료를 용융시켜 적층물질을 압출하는 압출기 및, 상기 압출기로부터 적층물질을 전달받아 토출하여 적층레이어를 형성하는 노즐을 구비하는 적층헤드; 상기 노즐에 인접하게 형성되고, 상기 노즐을 따라 이동하면서 회전을 수행하여 적층레이어를 가압하며, 내부에 형성되는 유로를 구비하는 롤러부; 및 상기 롤러부와 결합하여 상기 롤러부를 지지하고, 상기 롤러부의 유로로 유체인 온도조절유체를 공급하는 유체공급부를 포함하고, 상기 롤러부를 통과하는 온도조절유체에 의해 상기 롤러부의 온도가 가변하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 적층재료는 탄소섬유강화복합재(CFRP)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 롤러부는, 원형바 형상을 구비하고 회전을 수행하는 롤러축; 및 상기 롤러축을 둘러싸는 원통 형상으로 형성되고 회전을 수행하여 적층레이어를 가압하는 롤러몸체를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 롤러축은, 상기 롤러축의 길이 방향으로 관통하는 형상으로 형성되고 상기 온도조절유체를 통과시키는 유로인 축유로를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 롤러몸체는, 상기 롤러몸체의 일 부위를 관통하는 형상으로 형성되고 상기 온도조절유체를 통과시키는 유로인 몸체유로를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 유체공급부는, 상기 온도조절유체를 저장하고 상기 온도조절유체의 온도를 가변시키는 저장조; 및 상기 저장조로부터 상기 온도조절유체를 전달받아 상기 온도조절유체를 가압하여 상기 롤러부로 전달하는 펌프를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 유체공급부는, 상기 유체공급부의 하부에 형성되고 상기 롤러부와 결합하여 상기 롤러부를 지지하는 지지부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 롤러부의 온도를 측정하는 롤러온도센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 롤러온도센서로부터 상기 롤러부의 온도 정보를 전달받고, 상기 유체공급부로 제어신호를 전달하여 상기 온도조절유체의 온도가 조절되도록 하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 롤러부의 표면을 향해 가스를 분사하여 상기 롤러부의 온도를 조절하는 가스분사기를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 적층헤드에 구비된 상기 노즐로부터 적층물질이 토출되어 적층레이어가 형성되는 제1단계; 상기 롤러온도센서에서 상기 롤러부의 온도를 측정하고, 상기 롤러온도센서로부터 상기 제어부로 상기 롤러부의 온도 정보가 전달되는 제2단계; 상기 제어부로부터 상기 유체공급부에 구비된 저장조로 제어신호가 전달되어 상기 온도조절유체의 온도가 가변되는 제3단계; 및 상기 온도조절유체가 상기 롤러부로 공급되어 상기 롤러부의 온도가 변화되는 제4단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3단계에서, 상기 제어부에서 상기 롤러부의 온도를 증가시켜야 하는 것으로 판단되는 경우, 상기 제어부로부터 상기 저장조의 유체히터로 제어신호가 전달되어, 상기 온도조절유체가 가열될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3단계에서, 상기 제어부에서 상기 롤러부의 온도를 감소시켜야 하는 것으로 판단되는 경우, 상기 제어부로부터 상기 저장조의 냉각코일로 제어신호가 전달되어, 상기 온도조절유체가 냉각될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 3D 프린팅 시 적층레이어를 가압하는 롤러를 이용함으로써, 기 적층된 적층레이어의 최상층 적층레이어와 적층 중인 적층레이어 간 결합력을 증대시켜, 하나의 적층레이어와 그 상부의 다른 적층레이어 간 적층 오차를 감소시켜, 본 발명의 3D 프린팅 장치에 의해 제조되는 적층물의 제조 오차를 감소시켜 품질을 향상시킬 수 있다는 것이다.
또한, 본 발명의 효과는, 롤러부를 냉각시킴으로써, 적층 중인 적층레이어를 가압하는 롤러부의 내구성을 유지할 수 있으며, 롤러부의 내구성 향상에 따른 롤러부의 변형을 방지할 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 롤러부에 의한 적층레이어의 냉각이 수행되어, 적층레이어의 냉각 효율이 증대된다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치의 구성에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적층헤드의 구성에 대한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유체공급부의 구성에 대한 모식도이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 롤러부에서 축유로 및 몸체유로의 형성에 대한 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치의 구성에 대한 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적층헤드의 구성에 대한 모식도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유체공급부(200)의 구성에 대한 모식도이다.
도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 3D 프린팅 장치는, 외부로부터 전달받은 적층재료를 용융시켜 적층물질을 압출하는 압출기(310) 및, 압출기(310)로부터 적층물질을 전달받아 토출하여 적층레이어(10)를 형성하는 노즐(320)을 구비하는 적층헤드; 노즐(320)에 인접하게 형성되고, 노즐(320)을 따라 이동하면서 회전을 수행하여 적층레이어(10)를 가압하며, 내부에 형성되는 유로를 구비하는 롤러부; 및 롤러부와 결합하여 롤러부를 지지하고, 롤러부의 유로로 유체인 온도조절유체를 공급하는 유체공급부(200)를 포함한다.
적층재료는 탄소섬유강화복합재(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 적층헤드의 압출기(310)에는 적층재료로써 조각 형상의 밀리미터(mm) 단위의 길이를 구비하는 탄소섬유강화복합재 조각(chopped CFRP)이 공급되고, 이와 같은 탄소섬유강화복합재 조각이 압출기(310)에서 용융되고 가압 이동된 후 노즐(320)로부터 배출되어 적층레이어(10)를 형성하는 적층물질을 형성할 수 있다.
상기와 같은 탄소섬유강화복합재를 이용하여 본 발명의 3D 프린팅 장치에서는, 탄소섬유강화복합재를 3D 프린팅 방식으로 제조할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는, 적층재료로 탄소섬유강화복합재 조각이 이용된다고 설명하고 있으나, 탄소섬유강화복합재는 필라멘트, 와이어 등의 형상으로 공급될 수 있음은 물론이다.
롤러부를 통과하는 온도조절유체에 의해 롤러부의 온도가 가변할 수 있다. 롤러부와 결합하는 유체공급부(200)에서는 온도조절유체의 온도를 조절하여 롤러부로 공급할 수 있으며, 이와 같은 온도조절유체가 롤러부의 내부를 관통하여 유동하면서 롤러부와 온도조절유체 간 열교환이 수행되어, 온도조절유체에 의해 롤러부의 온도가 가변될 수 있다.
온도조절유체로는 종래기술에서 이용되는 다양한 종류의 냉매가 이용될 수 있으며, 유체 형태의 냉매 외에 기체 형태의 가스가 이용될 수도 있다.
노즐(320)에서 토출되는 적층레이어(10)는 가열된 상태로 기 적층된 적층레이어(10) 상에 적층되며, 롤러부는 적층 중인 적층레이어(10)의 상부 표면을 평탄화할 수 있고, 기 적층된 적층레이어(10)의 최상층 적층레이어(10)와 적층 중인 적층레이어(10) 간 결합력을 증대시켜, 본 발명의 3D 프린팅 장치를 이용하여 제조되는 적층물의 내구성이 향상됨과 동시에, 하나의 적층레이어(10)와 그 상부의 다른 적층레이어(10) 간 적층 오차를 감소시켜, 본 발명의 3D 프린팅 장치에 의해 제조되는 적층물의 제조 오차를 감소시켜 품질을 향상시킬 수 있다.
다만, 상기와 같이 노즐(320)로부터 토출되어 가열된 상태로 적층 중인 적층레이어(10)를 롤러부가 가압하는 경우, 적층 중인 적층레이어(10)의 열에너지가 롤러부로 전달되어 롤러부의 온도도 상승할 수 있으며, 이에 따라, 지속적인 열에너지의 공급에 의해 롤러부의 열피로가 증가하여 롤러부의 내구성이 저하될 수 있다.
상기와 같이 열피로에 의한 롤러부의 내구성 저하를 방지하기 위하여 롤러부를 냉각시킬 수 있는 온도인 온도조절유체를 롤러부로 공급하여 롤러부를 냉각시킴으로써, 적층 중인 적층레이어(10)를 가압하는 롤러부의 내구성을 유지할 수 있으며, 롤러부의 내구성 향상에 따른 롤러부의 변형을 방지하여 결과적으로 본 발명의 3D 프린팅 장치에 의해 제조되는 적층물의 제조 오차를 감소시켜 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기와 같이 롤러부가 냉각된 상태로 적층 중인 적층레이어(10)를 가압하면서 롤러부에 의해 적층레이어(10)에 대한 냉각이 수행될 수 있으므로, 별도의 장비로 적층레이어(10)에 대한 냉각을 수행하지 않더라도 롤러부에 의한 적층레이어(10)의 냉각이 수행되어, 적층레이어(10)의 냉각 효율이 증대됨과 동시에, 본 발명의 3D 프린팅 장치의 설치 공간을 감소시켜 공간 활용도를 증가시킬 수도 있다.
그리고, 적층 중인 적층레이어(10)를 가열시키거나 기 적층된 적층레이어(10)를 가열시키는 경우가 발생할 수 있다. 구체적으로, 성형 등의 후속 공정을 위하여 적층 중인 적층레이어(10)의 온도를 유지 또는 상승시키는 경우, 롤러부로 가열에 필요한 온도를 구비한 온도조절유체를 공급하여 롤러부의 온도를 증가시킴으로써 롤러부에 의해 적층 중인 적층레이어(10)가 가열되도록 할 수 있다.
또한, 기 적층된 적층레이어(10)의 냉각을 지연시키거나, 적층될 적층레이어(10)와 결합력 증대를 위해 기 적층된 적층레이어(10) 중 최상층 적층레이어(10)를 가열시키는 경우, 적층헤드의 작동을 정지하고 상대적으로 고온의 온도조절유체를 롤러부로 공급하여 가열된 롤러부로 기 적층된 적층레이어(10)를 가열시킬 수 있다.
상기와 같이 롤러부로 공급되는 온도조절유체의 온도를 가변시켜 용도에 따라 롤러부의 온도를 가변시킬 수 있으며, 이와 같은 롤러부의 온도 조절을 위한 구성에 대해서는 하기에 상세히 설명하기로 한다.
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 롤러부에서 축유로(111) 및 몸체유로(121)의 형성에 대한 모식도이다.
도 4와 도 5에서 보는 바와 같이, 롤러부는, 원형바 형상을 구비하고 회전을 수행하는 롤러축(110); 및 롤러축(110)을 둘러싸는 원통 형상으로 형성되고 회전을 수행하여 적층레이어(10)를 가압하는 롤러몸체(120)를 구비할 수 있다.
롤러부는 롤러축(110)의 길이 방향 중심축을 회전축으로 하여 회전을 수행하며, 롤러축(110)의 외측을 둘러싸는 롤러몸체(120)가 롤러축(110)의 회전에 따라 회전을 수행하면서 적층레이어(10)에 대한 가압을 수행할 수 있다.
롤러축(110)은 금속 또는 합성수지로 형성될 수 있으며, 롤러몸체(120)도 금속 또는 합성수지로 형성될 수 있다. 여기서, 합성수지는 내열성을 구비하면서 열전도율이 상대적으로 우수한 소재일 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는, 롤러축(110)과 롤러몸체(120)가 상기와 같은 소재로 형성된다고 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
롤러축(110)은, 롤러축(110)의 길이 방향으로 관통하는 형상으로 형성되고 온도조절유체를 통과시키는 유로인 축유로(111)를 구비할 수 있다. 롤러부로 공급된 온도조절유체는 축유로(111)를 통해 롤러축(110)을 관통하여 유동할 수 있으며, 이 때, 온도조절유체와 롤러축(110) 간 열교환으로 롤러축(110)의 온도가 가변되면서 롤러부의 온도가 가변될 수 있다.
구체적으로, 유체공급부(200)에 의해 가열된 온도조절유체가 롤러축(110)으로 공급되면 롤러부의 온도가 상승하고, 유체공급부(200)에 의해 냉각된 온도조절유체가 롤러축(110)으로 공급되면 롤러부의 온도가 감소할 수 있다.
그리고, 도 4에서 보는 바와 같이, 축유로(111)는 롤러축(110)을 관통하는 직선형으로 형성될 수 있고, 또 다른 형태로써, 축유로(111)는 롤러축(110)을 관통하는 방향으로 파형, 지그재그형, 나선형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
롤러몸체(120)는, 롤러몸체(120)의 일 부위를 관통하는 형상으로 형성되고 온도조절유체를 통과시키는 유로인 몸체유로(121)를 구비할 수 있다. 롤러부로 공급된 온도조절유체는 몸체유로(121)를 통해 롤러몸체(120)를 관통하여 유동할 수 있으며, 이 때, 온도조절유체와 롤러몸체(120) 간 열교환으로 롤러몸체(120)의 온도가 가변되면서 롤러부의 온도가 가변될 수 있다.
구체적으로, 유체공급부(200)에 의해 가열된 온도조절유체가 롤러축(110)으로 공급되면 롤러몸체(120)의 온도가 상승하고, 유체공급부(200)에 의해 냉각된 온도조절유체가 롤러몸체(120)로 공급되면 롤러부의 온도가 감소할 수 있다.
그리고, 도 5의 (a)는 롤러몸체(120)에 형성된 몸체유로(121)에 대한 하나의 실시 예에 대한 것이고, 도 5의 (b)는 롤러몸체(120)에 형성된 몸체유로(121)에 대한 다른 실시 예에 대한 것이다.
도 5의 (a)에서 보는 바와 같이, 몸체유로(121)는 롤러몸체(120)의 내부에서 롤러부의 회전축을 중심축으로 하여 나선형의 형상으로 롤러몸체(120)의 길이 방향으로 연장되어 롤러몸체(120)의 내부를 관통하면서 형성될 수 있다.
그리고, 도 5의 (b)에서 보는 바와 같이, 몸체유로(121)는 롤러몸체(120)의 내부에서 지그재그 형상으로 롤러몸체(120)의 길이 방향으로 연장되어 롤러몸체(120)의 내부를 관통하면서 형성될 수 있다. 여기서, 지그재그 형상은 하나의 유로로 형성되거나, 복수 개의 지그재그 형상의 유로가 연결되어 형성될 수도 있다. 지그재그의 방향도 롤러몸체(120)의 길이 방향 또는 길이 방향에 수직한 방향 등 다양한 방향으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는, 롤러몸체(120)의 내부에 형성되는 몸체유로(121)의 형상에 대해 상기와 같이 설명하고 있으나, 몸체유로(121)의 형상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 온도조절유체와 롤러몸체(120) 간 접촉 면적을 증가시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 다양한 형상으로 몸체유로(121)가 형성될 수 있다.
상기와 같은 몸체유로(121)의 형성에 의해 몸체유로(121)를 따라 유동하는 온도조절유체와 롤러몸체(120)의 전체 영역 간 열교환이 용이하고, 이에 따라, 온도조절유체에 의한 롤러몸체(120)의 열교환 효율이 형상될 수 있으며, 결과적으로 온도조절유체에 의한 롤러부의 온도 가변이 용이할 수 있다.
유체공급부(200)로부터 하나의 유로를 통해 온도조절유체가 축유로(111)로 공급되고, 유체공급부(200)로부터 다른 유로를 통해 온도조절유체가 몸체유로(121)로 공급될 수 있다. 이와 달리, 도 4와 도 5에서 보는 바와 같이, 축유로(111)와 몸체유로(121)는 서로 연결될 수 있다.
축유로(111)와 몸체유로(121)가 서로 연결되는 경우에는, 유체공급부(200)로부터 배출된 온도조절유체가 축유로(111)로 먼저 투입된 다음, 축유로(111)로 유입된 온도조절유체가 축유로(111)와 연결된 몸체유로(121)로 투입될 수 있다.
상기와 같은 경우, 유체공급부(200)로부터 롤러부로 연결되는 하나의 유로를 통과하는 온도조절유체가 축유로(111)와 몸체유로(121) 모두에 공급될 수 있으므로, 온도조절유체가 롤러부로 신속히 공급될 수 있어, 온도조절유체와 롤러부 간 열교환 효율이 증대될 수 있다.
유체공급부(200)는, 온도조절유체를 저장하고 온도조절유체의 온도를 가변시키는 저장조(210); 및 저장조(210)로부터 온도조절유체를 전달받아 온도조절유체를 가압하여 롤러부로 전달하는 펌프(220)를 구비할 수 있다. 그리고, 유체공급부(200)는, 유체공급부(200)의 하부에 형성되고 롤러부와 결합하여 롤러부를 지지하는 지지부(230)를 더 구비할 수 있다.
저장조(210)와 펌프(220)는 유체공급부(200)의 내부에 형성되며, 저장조(210)는 유체공급부(200)의 상부에 형성되고, 펌프(220)는 저장조(210)의 하부에 형성될 수 있다. 그리고, 저장조(210)는 온도조절유체를 내부에 저장할 수 있고, 저장조(210)는, 내부에 저장된 온도조절유체를 가열시키기 위한 히터인 유체히터(211); 및 내부에 저장된 온도조절유체를 냉각시키기 위한 냉각코일(212)을 구비할 수 있다.
지지부(230)는, 바의 형상을 구비하고 일단이 유체공급부(200)의 하단과 결합하고 타단이 롤러축(110)의 일단과 결합하는 제1지지대(231); 및 바의 형상을 구비하고 일단이 유체공급부(200)의 하단과 결합하고 타단이 롤러축(110)의 타단과 결합하는 제2지지대(232)를 구비할 수 있다.
그리고, 제1지지대(231)는, 제1지지대(231)의 길이 방향으로 연장되어 형성되고 제1지지대(231)의 내부를 관통하는 형상으로 형성되는 유로인 제1전달유로(231a)를 구비할 수 있다. 또한, 제2지지대(232)는, 제2지지대(232)의 길이 방향으로 연장되어 형성되고 제2지지대(232)의 내부를 관통하는 형상으로 형성되는 유로인 제2전달유로(232a)를 구비할 수 있다.
롤러부와 지지부(230)의 결합에 따라, 제1전달유로(231a)의 하단은 축유로(111)의 일단과 연결되고, 제2전달유로(232a)의 하단은 축유로(111)의 타단과 연결될 수 있다. 그리고, 제1전달유로(231a)의 상단은 펌프(220)와 연결되고, 제2전달유로(232a)의 상단은 저장조(210)와 연결될 수 있다.
이에 따라, 제1전달유로(231a)를 따라 유동한 온도조절유체는, 축유로(111)의 일단으로 투입된 후 축유로(111)를 따라 유동하여 축유로(111)의 타단으로 배출되고, 배출된 온도조절유체는 제2전달유로(232a)를 따라 유동할 수 있다.
이 때, 온도조절유체는 축유로(111)로 투입된 후 축유로(111)와 연결된 몸체유로(121)를 따라 유동한 후 몸체유로(121)로부터 다시 축유로(111)로 배출되어 제2전달유로(232a) 방향으로 유동할 수 있다.
펌프(220)의 일 부위는 저장조(210)와 연결되고, 펌프(220)의 타 부위는 상기와 같이 제1전달유로(231a)의 상단과 연결될 수 있다. 또한, 저장조(210)로부터 온도조절유체를 전달받은 펌프(220)는, 온도조절유체를 가압하여 제1전달유로(231a)로 전달할 수 있다.
그리고, 상기와 같이 제1전달유로(231a)를 통과한 다음 축유로(111) 및 몸체유로(121)를 통과한 온도조절유체가 제2전달유로(232a)를 따라 유동한 후 저장조(210)로 전달될 수 있다.
상기와 같이 온도조절유체는 유체공급부(200)와 롤러부에서 순환하여 유동할 수 있으며, 이에 따라, 외부로 온도조절유체를 배출됨이 없이 온도조절유체를 이용하여 롤러부에 대한 온도조절을 수행할 수 있다. 이와 같이 온도조절유체를 순환시킴으로써 온도조절유체의 손실에 따른 온도 조절 효율 저하를 사전에 방지할 수 있다.
압출기(310)는, 압출기(310)의 내부로 공급된 적층재료를 가열하여 용융시켜 적층물질이 생성되도록 하는 히터인 재료히터(312); 및 적층재료를 압출기(310)의 상부로부터 하부로 이송시켜 적층재료가 용융되면서 이송되도록 하는 스크류(311)를 구비할 수 있다.
재료히터(312)는 압출기(310)의 내부에서 스크류(311)의 길이 방향을 따라 스크류(311)에 의해 이송되는 적층재료를 가열할 수 있는 위치에 형성되며, 재료히터(312)는 스크류(311)의 외측에 형성될 수 있다. 스크류(311)는 회전을 수행하여 적층재료를 이송시키며, 스크류(311)에 의한 이송이 완료된 적층재료는 용융되어 적층물질로 되어 압출기(310)의 하단에 결합된 노즐(320)을 통해 토출될 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는, 복수 개의 적층레이어(10)가 적층되는 평면을 제공하는 베이스(610)를 더 포함할 수 있다. 적층물질은 평면인 베이스(610)의 상부 표면을 향해 토출되어 적층되어 적층레이어(10)를 형성하며, 복수 개의 적층레이어(10) 각각이 순차적으로 적층될 수 있다.
압출기(310)의 상부에는 압출기(310)의 위치를 조절하는 헤드구동부(620)가 형성될 수 있다. 그리고, 헤드구동부(620)는 겐트리(650)와 결합될 수 있으며, 헤드구동부(620)는 겐트리(650)의 길이 방향(좌우 방향)으로 이동하면서 압출기(310)의 위치를 변경시킬 수 있다. 또한, 헤드구동부(620)는 압출기(310)를 상하 방향으로 이동시키면서 압출기(310)의 위치를 변경시킬 수 있다. 이와 같은 압출기(310)의 위치 변경에 따라 노즐(320)의 위치도 변경되며, 적층물질의 토출 위치도 변경될 수 있다.
그리고, 유체공급부(200)의 상부에는 유체공급부(200)의 위치를 조절하는 공급부구동부(630)가 형성될 수 있다. 그리고, 공급부구동부(630)는 겐트리(650)와 결합할 수 있으며, 공급부구동부(630)는 겐트리(650)의 길이 방향으로 이동하면서 유체공급부(200)의 위치를 변경시킬 수 있다. 또한, 공급부구동부(630)는 유체공급부(200)를 상하 방향으로 이동시키면서 유체공급부(200)의 위치를 변경시킬 수 있다. 이와 같은 유체공급부(200)의 위치 변경에 따라 롤러부의 위치가 변경될 수 있다.
헤드구동부(620)의 작동과 공급부구동부(630)의 작동에 의해, 노즐(320)과 롤러부의 위치가 상호 대응되어 변경되며, 이에 따라, 노즐(320)로부터 토출된 적층물질에 의해 형성되는 적층레이어(10)의 형성 시, 적층레이어(10)에 대한 롤러부의 가압이 신속히 수행될 수 있다.
헤드구동부(620)의 상부에는 적층재료를 저장하고 저장된 적층재료를 압출기(310)로 전달하는 재료저장부(640)가 형성될 수 있으며, 헤드구동부(620)의 이동에 따라 재료저장부(640)와 적층헤드가 동일하게 이동하므로, 압출기(310)에 대한 적층재료의 공급이 신속하게 수행되어, 노즐(320)의 적층물질 토출이 용이하게 수행될 수 있다.
롤러부의 표면을 향해 가스를 분사하여 롤러부의 온도를 조절하는 가스분사기(410)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 가스분사기(410)의 위치를 상하, 좌우 및 전후 방향으로 변경시키고 가스분사기(410)를 회전시키는 분사기구동부(420)가 형성될 수 있다.
분사기구동부(420)는 유체공급부(200)와 결합될 수 있으며, 이에 따라, 분사기구동부(420)의 위치는 유체공급부(200)의 위치 변경에 따라 변경될 수 있다. 분사기구동부(420)는 가스를 저장한 다음 가스분사기(410)에 가스를 전달할 수 있으며, 가스분사기(410)는 전달된 가스를 가압하여 롤러부를 향해 분사할 수 있다.
여기서, 가스로는 공기, 이산화탄소(CO2) 및 이산화질소(CN2)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질이 이용될 수 있으며, 이 외에도 냉각에 용이한 다양한 기체가 이용될 수 있다.
가스분사기(410)로부터 롤러부를 향해 분사되는 가스는 와류(볼텍스)를 형성할 수 있고, 이와 같은 가스의 유동에 의한 분사로 가스에 의한 롤러부의 냉각 효율이 증대될 수 있다.
또한, 하기된 제어부의 제어신호에 의해 가스분사기(410)가 작동하는 경우, 제어부의 제어신호에 의해 분사기구동부(420)가 작동할 수 있으며, 분사기구동부(420)의 작동에 의해 가스분사기(410)의 3차원 위치 및 회전각이 변경되어, 가스 분사 위치가 변경됨으로써, 롤러부 전체에 가스가 분사될 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는, 롤러부의 온도를 측정하는 롤러온도센서(510)를 더 포함할 수 있다. 롤러온도센서(510)는 제1지지대(231) 또는 제2지지대(232)에 결합되어 적외선을 이용하여 롤러몸체(120) 표면의 온도를 측정할 수 있다. 다만, 롤러온도센서(510)의 작동 방식이 이에 한정되는 것은 아니고, 롤러온도센서(510)는 롤러축(110) 또는 롤러몸체(120)에 설치되어 롤러몸체(120)의 온도를 측정할 수도 있다.
그리고, 본 발명의 3D 프린팅 장치는, 적층 중인 적층레이어(10)의 온도를 측정하는 레이어온도센서(520)를 더 포함할 수 있다. 레이어온도센서(520)는 압출기(310)의 외측 표면 중 유체공급부(200)를 향하는 방향의 표면에 설치되어 적외선을 이용하여 적층 중인 적층레이어(10) 표면의 온도를 측정할 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는, 롤러온도센서(510)로부터 롤러부의 온도 정보를 전달받고, 유체공급부(200)로 제어신호를 전달하여 온도조절유체의 온도가 조절되도록 하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제어부는 레이어온도센서(520)로부터 적층레이어(10)의 온도 정보를 전달받고, 이를 이용하여 제어신호를 생성할 수 있다.
제어부에는 롤러부의 온도의 기준이 되는 범위로써 롤러기준온도범위가 저장되어 있다. 그리고, 제어부는 내장된 연산 프로그램을 이용하여 레이어온도센서(520)의 온도 정보를 이용하여 적층레이어(10)의 실시간 온도를 반영하여 롤러기준온도범위를 연산할 수 있으며, 이와 같은 롤러기준온도범위를 이용하여 롤러부에 대한 온도를 제어할 수 있다.
여기서, 롤러부에 의해 적층레이어(10)가 가압되는 경우, 적층레이어(10)에의 현재 온도에 대응하여, 롤러부에 의해 적층레이어(10)가 과냉각 되지 않도록 하는 롤러부의 온도 최저 값과 롤러부에 의해 적층레이어(10)가 과열되지 않고 롤러부 자체과 과열되지 않도록 하는 롤러부의 온도 최고 값에 의해 롤러기준온도범위가 설정될 수 있다.
그리고, 롤러온도센서(510)의 온도 정보에 의해 제어부는 롤러부의 현재 온도와 롤러기준온도범위를 비교하여 온도조절유체의 온도 및 유동에 대한 제어를 수행할 수 있다.
구체적으로, 제어부에서 롤러부의 현재 온도가 롤러기준온도범위의 최저 값 미만인 것으로 분석되어 롤러부의 온도를 증가시켜야 하는 것으로 판단되는 경우, 제어부는 저장조(210)의 유체히터(211) 및 펌프(220)로 제어신호를 전달할 수 있다.
그리고, 각각의 제어신호에 의해, 유체히터(211)가 저장조(210)에 저장된 온도조절유체를 가열시키고, 펌프(220)의 작동으로 가열된 온도조절유체가 가압되어 제1전달유로(231a)로 유동할 수 있으며, 제1전달유로(231a)를 통과한 온도조절유체가 축유로(111) 및 몸체유로(121)를 통과하면서 롤러부를 가열시킨 후 롤러부로부터 배출되어 제2전달유로(232a)를 따라 유동한 다음 저장조(210)로 전달될 수 있다.
제어부에서 롤러부의 현재 온도가 롤러기준온도범위의 최고 값 초과인 것으로 분석되어 롤러부의 온도를 감소시켜야 하는 것으로 판단되는 경우, 제어부는 저장보의 냉각코일(212), 펌프(220) 및 가스분사기(410)로 제어신호를 전달할 수 있다.
그리고, 각각의 제어신호에 의해, 냉각코일(212)이 저장조(210)에 저장된 온도조절유체를 냉각시키고, 펌프(220)의 작동으로 냉각된 온도조절유체가 가압되어 제1전달유로(231a)로 유동할 수 있으며, 제1전달유로(231a)를 통과한 온도조절유체가 축유로(111) 및 몸체유로(121)를 통과하면서 롤러부를 냉각시킨 후 롤러부로부터 배출되어 제2전달유로(232a)를 따라 유동한 다음 저장조(210)로 전달될 수 있다.
이 때, 가스분사기(410)가 작동되어 롤러부를 향해 냉각을 위한 가스를 분사할 수 있으며, 상기와 같은 온도조절유체에 의한 냉각과 가스 분사에 의한 냉각이 복합적으로 수행되어, 롤러부의 냉각 효율이 증대될 수 있다.
이하, 본 발명의 3D 프린팅 장치를 이용한 본 발명의 3D 프린팅 방법에 대해서 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계에서, 적층헤드에 구비된 노즐(320)로부터 적층물질이 토출되어 적층레이어(10)가 형성될 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 롤러온도센서(510)에서 롤러부의 온도를 측정하고, 롤러온도센서(510)로부터 제어부로 롤러부의 온도 정보가 전달될 수 있다.
다음으로, 제3단계에서, 제어부로부터 유체공급부(200)에 구비된 저장조(210)로 제어신호가 전달되어 온도조절유체의 온도가 가변될 수 있다.
여기서, 제어부에서 롤러부의 온도를 증가시켜야 하는 것으로 판단되는 경우, 제어부로부터 저장조(210)의 유체히터(211)로 제어신호가 전달되어, 온도조절유체가 가열될 수 있다.
그리고, 제어부에서 롤러부의 온도를 감소시켜야 하는 것으로 판단되는 경우, 제어부로부터 저장조(210)의 냉각코일(212)로 제어신호가 전달되어, 온도조절유체가 냉각될 수 있다.
그 후, 제4단계에서, 온도조절유체가 롤러부로 공급되어 롤러부의 온도가 변화될 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 방법에 대한 나머지 상세한 사항은, 상기된 본 발명의 3D 프린팅 장치에 대한 설명과 동일하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 적층레이어
110 : 롤러축 111 : 축유로
120 : 롤러몸체 121 : 몸체유로
200 : 유체공급부 210 : 저장조
211 : 유체히터 212 : 냉각코일
220 : 펌프 230 : 지지부
231 : 제1지지대 231a : 제1전달유로
232 : 제2지지대 232a : 제2전달유로
310 : 압출기 311 : 스크류
312 : 재료히터 320 : 노즐
410 : 가스분사기 420 : 분사기구동부
510 : 롤러온도센서 520 : 레이어온도센서
610 : 베이스 620 : 헤드구동부
630 : 공급부구동부 640 : 재료저장부
650 : 겐트리

Claims (13)

  1. 외부로부터 전달받은 적층재료를 용융시켜 적층물질을 압출하는 압출기 및, 상기 압출기로부터 적층물질을 전달받아 토출하여 적층레이어를 형성하는 노즐을 구비하는 적층헤드;
    상기 노즐에 인접하게 형성되고, 상기 노즐을 따라 이동하면서 회전을 수행하여 적층레이어를 가압하며, 내부에 형성되는 유로를 구비하는 롤러부; 및
    상기 롤러부와 결합하여 상기 롤러부를 지지하고, 상기 롤러부의 유로로 유체인 온도조절유체를 공급하는 유체공급부를 포함하고,
    상기 롤러부를 통과하는 온도조절유체에 의해 상기 롤러부의 온도가 가변하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층재료는 탄소섬유강화복합재(CFRP)를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 롤러부는,
    원형바 형상을 구비하고 회전을 수행하는 롤러축; 및
    상기 롤러축을 둘러싸는 원통 형상으로 형성되고 회전을 수행하여 적층레이어를 가압하는 롤러몸체를 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 롤러축은, 상기 롤러축의 길이 방향으로 관통하는 형상으로 형성되고 상기 온도조절유체를 통과시키는 유로인 축유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 롤러몸체는, 상기 롤러몸체의 일 부위를 관통하는 형상으로 형성되고 상기 온도조절유체를 통과시키는 유로인 몸체유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유체공급부는,
    상기 온도조절유체를 저장하고 상기 온도조절유체의 온도를 가변시키는 저장조; 및
    상기 저장조로부터 상기 온도조절유체를 전달받아 상기 온도조절유체를 가압하여 상기 롤러부로 전달하는 펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 유체공급부는, 상기 유체공급부의 하부에 형성되고 상기 롤러부와 결합하여 상기 롤러부를 지지하는 지지부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 롤러부의 온도를 측정하는 롤러온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 롤러온도센서로부터 상기 롤러부의 온도 정보를 전달받고, 상기 유체공급부로 제어신호를 전달하여 상기 온도조절유체의 온도가 조절되도록 하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 롤러부의 표면을 향해 가스를 분사하여 상기 롤러부의 온도를 조절하는 가스분사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치.
  11. 청구항 9의 온도 제어 롤러를 구비한 3D 프린팅 장치를 이용한 3D 프린팅 방법에 있어서,
    상기 적층헤드에 구비된 상기 노즐로부터 적층물질이 토출되어 적층레이어가 형성되는 제1단계;
    상기 롤러온도센서에서 상기 롤러부의 온도를 측정하고, 상기 롤러온도센서로부터 상기 제어부로 상기 롤러부의 온도 정보가 전달되는 제2단계;
    상기 제어부로부터 상기 유체공급부에 구비된 저장조로 제어신호가 전달되어 상기 온도조절유체의 온도가 가변되는 제3단계; 및
    상기 온도조절유체가 상기 롤러부로 공급되어 상기 롤러부의 온도가 변화되는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3단계에서, 상기 제어부에서 상기 롤러부의 온도를 증가시켜야 하는 것으로 판단되는 경우, 상기 제어부로부터 상기 저장조의 유체히터로 제어신호가 전달되어, 상기 온도조절유체가 가열되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3단계에서, 상기 제어부에서 상기 롤러부의 온도를 감소시켜야 하는 것으로 판단되는 경우, 상기 제어부로부터 상기 저장조의 냉각코일로 제어신호가 전달되어, 상기 온도조절유체가 냉각되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
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