WO2017195947A1 - 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드 및 이를 포함하는 3차원 프린터 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional printer head for discharging multiple molding melts and a three-dimensional printer including the same. More specifically, the present invention relates to a three-dimensional printer head capable of printing various types of three-dimensional sculptures by configuring the molded filament and the molding pellet to be melted and discharged together in a stacked three-dimensional printing method, and a three-dimensional printer including the same. .
  • the 3D printer's product shaping method is a stacking type in which a target object is stacked in two-dimensional planar shape, stacked in three dimensions, melted and attached to form a shape, and cutting that cuts like a piece of material. There is a brother.
  • Lamination type is a method of forming three-dimensional shape by laminating powder (powder such as gypsum or nylon), plastic liquid or plastic thread in a thin layer (layer) than paper, and the thinner the layer, the more precise shape is obtained. There is an advantage to proceed.
  • the cutting type is a method of cutting a large lump to create a three-dimensional shape, which has the advantage that the finished product is more accurate than the laminated type, but it consumes a lot of material and is difficult to produce a shape that is hollowed out like a cup, and is separately painted. There is a downside to it.
  • filament melt lamination which supplies wire or filament made of thermoplastic plastic through feeding reel and feed roll, melts and discharges the supplied filament from heater nozzle mounted in 3D feed mechanism to form object in 3D There is a molding method.
  • a three-dimensional molding is generally formed by discharging and stacking one molding material. According to the characteristics of the three-dimensional molding to be formed, if the molding material is composed of multiple shapes, the three-dimensional molding of various shapes Formation is possible.
  • the present invention is to provide a three-dimensional printer head and a three-dimensional printer comprising the same by printing the various types of three-dimensional sculptures by configuring to discharge together the molding filament and the molding pellet in a three-dimensional printing method of the laminated type.
  • a three-dimensional printer head for receiving a molding filament and a molding pellet to discharge a plurality of molding melt, the filament supply unit for supplying the molding filament;
  • a pellet supply unit for supplying the molding pellets;
  • a nozzle tube having a penetrating portion provided in a longitudinal direction therein, wherein the molding pellet is supplied from the pellet supplying portion, and the molding pellet moves;
  • a rotating screw disposed in the through part of the nozzle tube and advancing the molding pellet to one end of the nozzle tube according to the rotation, and having a filament supply path through which the molding filament is fed in the longitudinal direction;
  • a heating unit for heating the nozzle tube to melt the molding pellets and the molding filaments to form a plurality of molding melts;
  • a three-dimensional printer head for discharging a multi-molded melt is provided, which is coupled to one end of the nozzle tube and includes a nozzle tip for discharging the molded melt.
  • the pellet supply unit is in communication with the nozzle tube, the hopper unit for supplying the molding pellet to the nozzle tube; It is provided in the hopper portion, it may include a mixing screw for mixing the molding pellets in accordance with the rotation.
  • the rotating screw may include a linear rod body in which the filament supply passage penetrates along the longitudinal direction;
  • the outer periphery of the linear rod body may include a spiral formed in the longitudinal direction, in this case, one end of the rod is formed with a cross-sectional enlarged portion is enlarged in the cross section toward one end of the rod body, formed in the cross-sectional enlarged portion
  • the height of the spiral may be configured to decrease in height toward one end of the rod.
  • the nozzle tip may have a nozzle hole for discharging the molding melt, and the nozzle hole may include: a first nozzle hole for discharging the molding filament melt; It is formed along the outer periphery of the first nozzle hole, it may include a second nozzle hole for discharging the molding pellet melt.
  • the nozzle nibs may be provided in plural numbers and may be interchangeably coupled to one end of the nozzle tube, and nozzle holes having different discharge patterns may be formed in each of the plurality of nozzle nibs.
  • the heating unit may include a plurality of heating units spaced apart along the longitudinal direction of the nozzle tube.
  • the plurality of heating units may be disposed to be spaced apart from each other at one end of the nozzle tube adjacent to the nozzle tip.
  • Each of the plurality of heating units may be provided with a temperature sensor for measuring the temperature of the molding melt.
  • the three-dimensional printer head for discharging the multi-molded melt may further include a head weight measurement unit for measuring the weight of the three-dimensional printer head.
  • the rigidity after curing of the molding filament melt may be configured to be greater than the rigidity after curing of the molding pellet melt.
  • the nozzle tube may be made of a metal material having high thermal conductivity.
  • the printer body and the internal space is partitioned; A stage disposed in the inner space of the printer body; A three-dimensional printer head disposed in the inner space of the printer body and discharging the multi-molded melt that discharges the molded melt on the stage; There is provided a three-dimensional printer for dispensing a multi-molded melt, wherein the three-dimensional printer head is coupled and includes a transfer mechanism for setting the position of the three-dimensional printer head.
  • Each of the plurality of pellet storage units may further include a pellet weighing unit configured to measure the molding pellets supplied from the respective pellet storage units to the pellet supply unit.
  • the fine waste may be finely crushed to reproduce the molding pellets, and may further include a crushing unit for supplying the recycled pellets to the plurality of pellet storage unit.
  • the three-dimensional shaped object in the stacked three-dimensional printing method, by forming the filament and the molding pellet together, the three-dimensional shaped object can be printed.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a three-dimensional printer head for discharging a multi-molded melt in accordance with an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a simplified view of the nozzle head of the three-dimensional printer head for ejecting a multi-molten melt in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of the molding melt discharged from the three-dimensional printer head for discharging the multiple molding melt according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view briefly showing a modification of the nozzle head of the three-dimensional printer head for ejecting a multi-molten melt according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a simplified view of a three-dimensional printer with a three-dimensional printer head for discharging multiple molding melts in accordance with one embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a view for explaining the molding pellet supply of a three-dimensional printer with a three-dimensional printer head for discharging the multiple molding melt in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a three-dimensional printer head for ejecting a multi-molded melt in accordance with an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view of a three-dimensional printer head for ejecting a multi-molded melt in accordance with an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a view schematically illustrating a nozzle tip
  • FIG. 3 is a view illustrating a cross section of a molding melt discharged from a three-dimensional printer head discharging a multiple molding melt according to an exemplary embodiment of the present invention
  • 4 is a view briefly illustrating a modification of the nozzle head of the three-dimensional printer head for discharging the multi-molded melt according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a three-dimensional printer head for ejecting a multi-molded melt in accordance with an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view of a three-dimensional printer head for ejecting a multi-molded melt in accordance
  • FIG. 5 is a view schematically showing a three-dimensional printer having a three-dimensional printer head for discharging the multi-molded melt according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a multi-molded melt according to an embodiment of the present invention. It is a figure for demonstrating the shaping
  • the waste 58, the shredding part 60, the pellet storage part 64, the pellet weighing part 66, and the supply pipe 68 are shown.
  • the three-dimensional printer head 18 for discharging the multi-shape melt according to the present embodiment is attached to a transfer mechanism (not shown) of the three-dimensional printer to form a three-dimensional solid object on the stage 16,
  • a 3D printer will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
  • a three-dimensional printer for discharging a multi-molded melt comprises: a printer body 12 in which an inner space 14 is divided; A stage 16 disposed in the internal space 14 of the printer body 12; A three-dimensional printer head (18) according to the present embodiment disposed in the inner space (14) of the printer body (12) and discharging a molding melt (52) on the stage (16);
  • the three-dimensional printer head 18 is coupled to include a transport mechanism (not shown) for setting the position of the three-dimensional print head.
  • the printer body 12 forms a body of a three-dimensional printer, and a plurality of frames are installed to partition the internal space 14, and may be made of a transparent panel or the like surrounding the frame.
  • the internal space 14 of the printer body 12 may be provided with a transfer mechanism (not shown) for moving the three-dimensional printer head 18 in three dimensions to be described later, the three-dimensional printer head 18 in the transfer mechanism Is combined.
  • the stage 16 is disposed in the interior space 14 of the printer body 12.
  • the stage 16 is a place where the molding melts 52 discharged from the three-dimensional printer head 18 are stacked to form the three-dimensional solid object 20, and is separate from the transport mechanism for the movement of the three-dimensional printer head 18.
  • the stage 16 can be moved two-dimensionally.
  • the three-dimensional printer head 18 is disposed in the internal space 14 of the printer main body 12 and discharges the molding melt 52 on the stage 16 to form the three-dimensional solid object 20.
  • the three-dimensional printer head 18 is disposed opposite the stage 16, and the molding melt 52 discharged from the three-dimensional printer head 18 is stacked on the stage 16 to form the three-dimensional solid object 20.
  • the three-dimensional printer head 18 simultaneously supplies and melts the molding filaments 22 and the molding pellets 26 to eject the multiple molding melts 52. This will be described in detail below.
  • the three-dimensional printer head 18 may be configured to recycle such three-dimensional waste 58 generated in the molding process. That is, as shown in FIG. 6, waste of material can be reduced by crushing the three-dimensional waste 58 in the form of a molding pellet 26 and using it as a molding source.
  • the three-dimensional printer head 18 for discharging the multi-molded melt according to the present embodiment will be described in detail.
  • the three-dimensional printer head 18 for discharging the multiple molding melts is supplied with the molding filaments 22 and the molding pellets 26 to three-dimensional printer head 18 for discharging the multiple molding melts 52.
  • the molding pellets 26 are disposed in the through part 30 of the nozzle tube 32, and the molding pellets 26 are advanced to one end of the nozzle tube 32 as they are rotated.
  • a rotating screw 42 formed with a filament supply path 34 through which is supplied;
  • Molding filament 22 is a thin linear material made of thermoplastic, ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), PLA (Polyactic acid), etc., is supplied to the three-dimensional printer head 18 in the form of filament and then melted by heating It is a three-dimensional printer material discharged.
  • the molding filament 22 is wound around the filament supply reel 25 and then supplied to the three-dimensional printer head 18 in a linear form according to the rotation of the feed roll 29.
  • the molding pellets 26 are materials melted by heat such as thermoplastics, ABS, PLA, glass, etc., and are provided in granular form.
  • the shape of the molding pellets 26 is shown in the form of granules, but the present invention is not limited thereto, and the molding pellets 26 may be in the form of powder.
  • the molding pellets 26, which are in the form of raw materials may be extruded to be made of the molding filaments 22 in the form of wires.
  • the material of the molding filament 22 and the material of the molding pellets 26 are configured to discharge a plurality of molding melts 52 in which different materials are mixed. Accordingly, the three-dimensional solid object 20 can be molded by discharging a plurality of molding melts 52. By forming the molding melt 52 with molding materials of different materials, it is possible to manufacture the three-dimensional solid object 20 in various forms.
  • the filament supply part 24 feeds the filament supply reel 25 in which the molding filament 22 is wound, and the modeling filament 22 wound in the filament supply reel 25 to the three-dimensional printer head 18.
  • the roll 29 may be provided. When the feed roll 29 is rotated while the idler 27 (idler) is disposed on the outer peripheral side of the molding filament 22 and the feeding roll 29 is disposed on the other side, the feed roll 29 and the molding filament 22 are rotated.
  • the molding filament 22 can be configured to be advanced or reversed by the frictional force of.
  • the pellet supply unit 28 stores the molding pellets 26 in a solid state and supplies them to the nozzle tube 32.
  • a highly precise molded object may be manufactured by thinning the laminated layer, but forming a large three-dimensional solid object 20 such as an automobile or a building. In this case, the molding efficiency may be lowered.
  • the molding pellets 26, which are raw materials together with the molding filaments 22, as a molding source the molding time may be shortened even in the case of a large three-dimensional solid object 20. have.
  • the pellet supply part 28 which concerns on this embodiment is provided in the inside of the hopper part 54 which communicates with the nozzle tube 32, and supplies the molding pellet 26 to the nozzle tube 32, and the hopper part 54.
  • a mixing screw 56 for mixing the molding pellets 26 according to the rotation is provided in the inside of the hopper part 54 which communicates with the nozzle tube 32, and supplies the molding pellet 26 to the nozzle tube 32, and the hopper part 54.
  • a separate mixing screw spiral is attached to the rod 34 of the rotating screw 42 so that the mixing screw 56 and the rotating screw 42 are rotated at the same time.
  • the nozzle tube 32 is provided with a penetrating portion 30 in the longitudinal direction therein, and provides a passage through which the molding pellets 26 are supplied by supplying the molding pellets 26 from the pellet supply unit 28.
  • a penetrating portion 30 penetrates and the molding pellet 26 in a solid state flowing from the pellet supplying portion 28 moves along the penetrating portion 30.
  • the rotating screw 42 is provided in the penetrating portion 30 of the nozzle tube 32 for the movement of the forming pellet 26, and the forming pellet 26 of the penetrating portion 30 is rotated according to the rotation of the rotating screw 42. It is either advanced to one end or withdrawn to the other end.
  • the rotary screw 42 is disposed in the penetrating portion 30 of the nozzle tube 32 and moves the molding pellets 26 to the end of the nozzle tube 32 in accordance with rotation.
  • the filament supply path 34 through which the molding filament 22 penetrates along the longitudinal direction is formed inside the rotating screw 42.
  • the rotating screw 42 may be coupled to a driving unit such as a motor (not shown) to advance or reverse the molding pellets 26 in the penetrating portion 30 of the nozzle tube 32 according to the forward and reverse rotation.
  • a driving unit such as a motor (not shown) to advance or reverse the molding pellets 26 in the penetrating portion 30 of the nozzle tube 32 according to the forward and reverse rotation.
  • the spacing of the threads of the rotating screw 42 may be determined in consideration of the size of the molding pellets 26, the discharging speed of the molding melt 52, and the like.
  • a filament supply passage 34 through which the molding filament 22 to be described above is supplied.
  • the molding filament 22 inserted at the other end of the rotating screw 42 moves to one end of the rotating screw 42 through the filament supply path 34, and the molding filament 22 moving to one end melts the nozzle. It is discharged to the nib 44.
  • one filament supply path 34 is formed on the rod 34 of the rotating screw 42 to supply one modeled filament 22, but a plurality of filament supply paths are formed inside the rod 34. It is also possible to form 34 so as to be able to supply a plurality of different shaped filaments 22.
  • the molding pellet 26 moves in the direction of one end of the rotating screw 42, and at the same time, the molding filament 22 is rotated through the filament supply path 34 of the rotating screw 42. While moving in the direction of one end of the screw 42 is melted together by the heating unit 50 is discharged from the nozzle tip (44).
  • the linear rod body 34 is formed through the filament supply path 34 in the longitudinal direction, and the outer periphery of the linear rod body 34 along the longitudinal direction A spiral 38 formed.
  • a cross-sectional enlarged portion 40 is formed in which the cross section is enlarged toward one end of the rod 34, and the height of the spiral 38 formed at the cross-sectional enlarged portion 40 is increased. It may be formed so that the height is lowered toward one end. Since the cross-sectional enlarged portion 40 of the rod 34 is present inside the nozzle tube 32, the molding pellet melt 51 is discharged while the concrete mixture moves from one end of the nozzle tube 32 to the other end. As the cross-sectional area is reduced, the discharge pressure is generated to discharge the molding pellet melt 51 discharged from the three-dimensional printer head 18 in a predetermined amount.
  • the heating unit 50 heats the nozzle tube 32 to melt the molding pellets 26 and the molding filaments 22 to form multiple molding molten liquids 52. As described above, the molding pellets 26 and the molding filaments 22 move in the direction of one end of the nozzle tube 32 through the rotating screw 42, and the heating part 50 moves the molding pellets 26 in the moving process. ) And the molding filaments 22 are heated to melt to form multiple molding melts 52.
  • the heating unit 50 includes a plurality of heating units 46 spaced apart along the longitudinal direction of the nozzle tube 32.
  • the heating unit 46 melts by applying heat to the molding pellets 26 and the molding filaments 22 in the solid state moving along the inside of the nozzle tube 32.
  • the heating unit 46 may be spaced apart from each other along the longitudinal direction of the nozzle tube 32.
  • the nozzle tube 32 is adjacent to the nozzle tip 44.
  • One end portion is configured to be spaced apart from each other.
  • the molding pellet 26 and the molding filament 22 introduced through the other end of the nozzle tube 32 move to one end of the nozzle tube 32 through the rotating screw 42. It is configured to melt.
  • the molding pellet 26 may be homogeneously melted while sequentially applying heat in the plurality of heating units 46 spaced apart from each other.
  • Each of the plurality of heating units 46 is attached with a temperature sensor 48 that can measure the temperature of the molding melt 52 at each heating unit 46 position, each heating unit 46 in the control unit (not shown)
  • the optimum melting temperature is determined by measuring the temperature of the molding melt 52 in.
  • the 3D printer head 18 may include a head weight measuring unit (not shown) for measuring the weight of the 3D printer head 18 described above.
  • a head weight measuring unit (not shown) for measuring the weight of the 3D printer head 18 described above.
  • the optimum melting temperature of the molding pellets 26 can be known in advance by an experimental report, but when the three-dimensional waste 58 is recycled. In many cases, the exact melting temperature of the steric waste 58 is unknown. Therefore, the plurality of heating units 46, the temperature sensor 48, and the head weight measurement unit (not shown) can determine the precise melting temperature of the three-dimensional waste (58).
  • the nozzle tip 44 is coupled to one end of the nozzle tube 32, and the molten molding filament melt 49 and the molding pellet melt 51 are discharged in the process of moving the nozzle tube 32.
  • 2 shows the nozzle tip 44 according to the present embodiment, which is provided with a nozzle hole 45 through which the molding melt 52 is discharged.
  • the molding filament melt 49 discharged through the filament supply path 34 of the rotary screw 42 is discharged from the center of the nozzle hole 45, and the molding pellet melt 51 is wrapped around the molding filament melt 49 of the core portion. While being discharged from the nozzle hole (45). That is, referring to FIGS.
  • the molding filament melt 49 is discharged through the center of the rotating screw 42, and the molding pellet melt 51 moves along the outer circumference of the rotating screw 42 to form the mold.
  • the filament melt 49 is discharged while wrapping.
  • the molding filament melt 49 is located at the core of the molding pellet melt 51 and achieves the same cross section after curing.
  • the molding filaments 22 and the molding pellets 26 are selected so that the rigidity after curing of the molding filament melt 49 is greater than the rigidity after curing of the molding pellet melt 51, the molded three-dimensional solid object 20 is more robust. Can be built. In addition, when manufacturing the three-dimensional solid object 20 with one material having a large rigidity, the cost may be increased due to the characteristics of the material. Therefore, the material of the core forming the skeleton is made of large rigidity, and the outer periphery material surrounding the core is rigid. Selecting this rather weak material to form the three-dimensional solid object 20 can reduce the cost.
  • the nozzle tip 44 is provided with a plurality of nozzles can be coupled to one end of the nozzle tube 32, respectively, and the nozzle holes 45 of different discharge patterns in each of the plurality of nozzle tips 44 This can be formed.
  • Various types of nozzle tips 44 having nozzle holes 45 having different discharge patterns may be prepared, and the nozzle tips 44 may be replaced according to the shape or characteristics of the three-dimensional solid object 20.
  • FIG. 4 illustrates a nozzle nib 44 having nozzle holes 45 of various shapes, in which a molding filament melt 49 is used to change the discharge pattern of the molding filament melt 49 and the molding pellet melt 51.
  • a first nozzle hole 47 discharged;
  • the nozzle hole 45 of various forms provided along the outer periphery of the 1st nozzle hole 47 and having the 2nd nozzle hole 49 by which the molding pellet melt 51 is discharged is shown.
  • the first nozzle hole 47 is located at a position corresponding to the filament supply path 34 of the rotating screw 42, so that the molded filament melt 49
  • the second nozzle hole 49 is formed at a position corresponding to the outer circumference of the rotating screw 42, and the molding pellet melt 51 is discharged while surrounding the molding filament melt 49.
  • the nozzle tube 32 may be made of a metal material having high thermal conductivity.
  • the nozzle tube 32 may be made of a material including brass, aluminum, or the like.
  • a heating unit 50 for melting the molding filament 22 and the molding pellet 26 inside the nozzle tube 32 the heat of the heating unit 50 is formed inside
  • the nozzle tube 32 is made of a material having high thermal conductivity so that the pellet 26 and the molding filament 22 are well transmitted.
  • the three-dimensional printer according to the present embodiment includes a plurality of pellet storage units 64, each of which stores a plurality of different molding pellets 26, and supplies a plurality of molding pellets 26 to the pellet supply unit 28;
  • Each of the plurality of pellet storage units 64 may include a pellet weighing unit 66 that measures the pellets 26 supplied from the pellet storage unit 64 to the pellet supply unit 28.
  • molding melt 52 having new characteristics can be produced.
  • molding pellets 26 of different colors may be mixed at an appropriate blending ratio to form molding melts 52 of desired colors to form three-dimensional solids 20 of various colors.
  • each of the pellet storage units 64 is provided with a pellet measuring unit 66 that can adjust the compounding amount of the molding pellets 26.
  • the compounding amount is determined, and thus, the molding pellets 26 are weighed in the pellet weighing unit 66 of each pellet storage unit 64 and mixed and supplied to the pellet supply unit 28 through the supply pipe 68.
  • the different molding pellets 26, which are metered in the pellet weighing part 66 of each pellet storage part 64 and flow into the pellet supply part 28, are mixed with each other according to the rotation of the mixing screw 56 of the hopper part 54. And flows into the nozzle tube 32.
  • the molding pellets 26 mixed with each other are melted by the plurality of heating units 46 of the nozzle tube 32, and a phase change occurs in the molding pellets melt 51.
  • the optimum melting temperature is determined through the plurality of heating units 46 as described above, and is heated to the optimal melting temperature.
  • a homogeneous molding pellet melt 51 can be formed.
  • the three-dimensional printer can recycle the three-dimensional waste (58). If an error occurs in printing during the three-dimensional printing process, the three-dimensional object 20 that is already molded may be discarded, which causes waste of expensive molding sources. In this embodiment, the three-dimensional waste 58 is finely crushed and supplied to the three-dimensional printer head 18 for recycling.
  • the crushing unit (60) is finely crushed and regenerated in the form of pellets (26) and supplied to the pellet storage unit (64).
  • the recycled molding pellets 26 supplied to the pellet storage unit 64 are again supplied to the three-dimensional printer head 18 and used as a molding source.
  • the crushing unit 60 may be configured to constitute a crushing process in multiple stages, and then crush the large lumps sequentially so that the crushing unit may be crushed into pellets suitable for using a shaping source and supplied to the pellet storage unit 64.

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 조형 필라멘트와 조형 펠릿을 공급받아 다중의 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드로서, 상기 조형 필라멘트를 공급하는 필라멘트 공급부와; 상기 조형 펠릿을 공급하는 펠릿공급부와; 내부에 길이 방향으로 관통부가 구비되고 상기 펠릿공급부로부터 상기 조형 펠릿이 공급되며 상기 조형 펠릿이 이동하는 노즐관과; 상기 노즐관의 상기 관통부에 배치되며 회전에 따라 상기 조형 펠릿을 상기 노즐관의 일단부로 전진시키며, 내부에 길이 방향을 따라 상기 조형 필라멘트가 관통하여 공급되는 필라멘트 공급로가 형성되는 회전스크류와; 상기 노즐관을 가열하여 상기 조형 펠릿 및 상기 조형 필라멘트를 용융하여 다중의 조형 용융액을 만드는 히팅부와; 상기 노즐관의 일단부에 결합되며 상기 조형 용융액을 토출되는 노즐촉을 포함하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드가 제공된다.

Description

다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드 및 이를 포함하는 3차원 프린터
본 발명은 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드 및 이를 포함하는 3차원 프린터에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 적층형의 3차원 프린팅 방식에 있어 조형 필라멘트와 조형 펠릿을 용융하여 함께 토출하도록 구성함으로써 다양한 형태의 3차원 조형물의 프린팅이 가능한 3차원 프린터 헤드 및 이를 포함하는 3차원 프린터에 관한 것이다.
3차원 프린터의 제품 조형 방식은 크게 대상 물체를 2차원의 평면형태로 한 층씩 쌓아 올려 3차원으로 적층하면서 용융 부착하여 형태를 만들어가는 적층형과, 재료덩어리를 조각하듯이 절삭해서 형태를 만들어가는 절삭형이 있다.
적층형은 파우더(석고나 나일론 등의 가루)나 플라스틱 액체 또는 플라스틱 실을 종이보다 얇은 층(레이어)으로 겹겹이 쌓아 입체 형상을 만들어내는 방식으로서, 레이어가 얇을수록 정밀한 형상을 얻을 수 있고, 채색을 동시에 진행할 수 있는 장점이 있다.
절삭형은 커다란 덩어리를 조각하듯이 깎아내 입체 형상을 만들어내는 방식으로서, 적층형에 비하여 완성품이 더 정밀하다는 장점이 있지만, 재료가 많이 소모되고 컵처럼 안쪽이 파인 모양은 제작하기 어려우며 채색 작업을 따로 해야 하는 단점이 있다.
적층형의 일종으로, 열가소성 플라스틱으로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송롤을 통해 공급하고 공급된 필라멘트를 3차원이송기구에 장착된 히터 노즐에서 용융시켜서 배출하여 물체를 3차원으로 성형하는 필라멘트 용융 적층 조형방법이 있다.
상기 필라멘트 용융 적층 조형방법의 경우 일반적으로 하나의 조형물질을 토출하고 적층하여 3차원 조형물을 조형하게 되는데, 조형되는 3차원 조형물의 특징에 따라 조형물질을 다중으로 구성하면 다양한 형태의 3차원 조형물의 형성이 가능하다.
본 발명은 적층형의 3차원 프린팅 방식에 있어 조형 필라멘트와 조형 펠릿을 함께 토출하도록 구성함으로써 다양한 형태의 3차원 조형물의 프린팅이 가능한 3차원 프린터 헤드 및 이를 포함하는 3차원 프린터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 조형 필라멘트와 조형 펠릿을 공급받아 다중의 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드로서, 상기 조형 필라멘트를 공급하는 필라멘트 공급부와; 상기 조형 펠릿을 공급하는 펠릿공급부와; 내부에 길이 방향으로 관통부가 구비되고 상기 펠릿공급부로부터 상기 조형 펠릿이 공급되며 상기 조형 펠릿이 이동하는 노즐관과; 상기 노즐관의 상기 관통부에 배치되며 회전에 따라 상기 조형 펠릿을 상기 노즐관의 일단부로 전진시키며, 내부에 길이 방향을 따라 상기 조형 필라멘트가 관통하여 공급되는 필라멘트 공급로가 형성되는 회전스크류와; 상기 노즐관을 가열하여 상기 조형 펠릿 및 상기 조형 필라멘트를 용융하여 다중의 조형 용융액을 만드는 히팅부와; 상기 노즐관의 일단부에 결합되며 상기 조형 용융액을 토출되는 노즐촉을 포함하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드가 제공된다.
상기 펠릿공급부는, 상기 노즐관과 연통되며, 상기 노즐관에 상기 조형 펠릿을 공급하는 호퍼부와; 상기 호퍼부의 내부에 마련되며, 회전에 따라 상기 조형 펠릿을 혼합하는 혼합스크류를 포함할 수 있다.
상기 회전스크류는, 상기 필라멘트 공급로가 길이 방향을 따라 관통하여 형성되는 선형의 봉체와; 상기 선형의 봉체의 외주에 길이 방향을 따라 형성되는 나선 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 봉체의 일단부에는 상기 봉체의 일단으로 갈수록 단면이 확대되는 단면확대부가 형성되고, 상기 단면확대부에 형성되는 나선의 높이는 상기 봉체의 일단으로 갈수록 높이가 낮아지도록 구성될 수 있다.
상기 노즐촉에는 상기 조형 용융액이 토출되는 노즐공이 형성될 수 있으며, 상기 노즐공은, 상기 조형 필라멘트 용융액이 토출되는 제1 노즐공과; 상기 제1 노즐공의 외주를 따라 형성되며, 상기 조형 펠릿 용융액이 토출되는 제2 노즐공을 포함할 수 있다.
상기 노즐촉은 복수 개로 구비되어 각각 상기 노즐관의 일단부에 교체 가능하게 결합될 수 있으며, 상기 복수 개의 노즐촉 각각에는 서로 다른 토출패턴의 노즐공이 형성될 수 있다.
상기 히팅부는, 상기 노즐관의 길이 방향을 따라 이격되어 배치되는 복수의 히팅유닛을 포함할 수 있다.
상기 복수의 히팅유닛은, 상기 노즐촉에 인접하여 상기 노즐관의 일단부에 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 복수의 히팅유닛의 각각에는 상기 조형 용융액의 온도를 측정하는 온도센서가 구비될 수 있다.
상기 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드는, 상기 3차원 프린터 헤드의 무게를 측정하는 헤드중량 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 조형 필라멘트 용융액의 경화 후 강성은 상기 조형 펠릿 용융액의 경화 후 강성보다 크도록 구성될 수 있다.
상기 노즐관은 열전도율이 높은 금속 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 내부 공간이 구획되는 프린터 본체와; 상기 프린터 본체의 상기 내부 공간에 배치되는 스테이지와; 상기 프린터 본체의 상기 내부 공간에 배치되며 상기 스테이지 상에 조형 용융액을 토출하는 상기 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드와; 상기 3차원 프린터 헤드가 결합되어 상기 3차원 프린터 헤드의 위치를 설정하는 이송기구를 포함하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터가 제공된다.
상기 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터는, 서로 다른 복수의 상기 조형 펠릿이 각각 저장되며, 상기 펠릿공급부에 상기 복수의 상기 조형 펠릿을 공급하는 복수의 펠릿저장부와; 상기 복수의 펠릿저장부에 각각 결합되어, 각각의 상기 펠릿저장부에서 상기 펠릿 공급부로 공급되는 상기 조형 펠릿을 계량하는 펠릿계량부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 입체 폐기물을 잘게 파쇄하여 조형 펠릿을 재생하며, 상기 복수의 펠릿저장부로 재생된 상기 조형 펠릿을 공급하는 파쇄부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적층형의 3차원 프린팅 방식에 있어 조형 필라멘트와 조형 펠릿을 함께 토출하도록 구성함으로써 다양한 형태의 3차원 조형물을 프린팅할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드를 간략히 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드의 노즐촉을 간략히 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드에서 토출되는 조형 용융액의 단면을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드의 노즐촉의 변형예를 간략히 도시한 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드를 구비한 3차원 프린터를 간략히 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드를 구비한 3차원 프린터의 조형 펠릿 공급을 설명하기 위한 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드 및 이를 포함하는 3차원 프린터의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드를 간략히 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드의 노즐촉을 간략히 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드에서 토출되는 조형 용융액의 단면을 도시한 도면이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드의 노즐촉의 변형예를 간략히 도시한 도면이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드를 구비한 3차원 프린터를 간략히 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드를 구비한 3차원 프린터의 조형 펠릿 공급을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6에는, 프린터 본체(12), 내부공간(14), 스테이지(16), 3차원 프린터 헤드(18), 입체물(20), 조형 필라멘트(22), 필라멘트 공급부(24), 필라멘트 공급릴(25), 조형 펠릿(26), 아이들러(27), 펠릿공급부(28), 이송롤(29), 관통부(30), 노즐관(32), 필라멘트 공급로(34), 봉체(34), 단면확대부(40), 나선(38), 회전스크류(42), 노즐촉(44), 노즐공(45), 히팅유닛(46), 제1 노즐공(47), 온도센서(48), 조형 필라멘트 용융액(49), 히팅부(50), 조형 펠릿 용융액(51), 조형 용융액(52), 제2 노즐공(53), 호퍼부(54), 혼합스크류(56), 입체폐기물(58), 파쇄부(60), 펠릿저장부(64), 펠릿계량부(66), 공급관(68)이 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드(18)는 3차원 프린터의 이송기구(미도시)에 부착되어 스테이지(16) 상에 3차원 입체물을 형성하게 되므로, 본 실시예에 따른 3차원 프린터 헤드(18)를 설명하기 이전에 도 5 및 도 6을 참조하여 3차원 프린터에 대해서 먼저 설명하기로 한다.
다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터는, 내부공간(14)이 구획되는 프린터 본체(12)와; 상기 프린터 본체(12)의 상기 내부공간(14)에 배치되는 스테이지(16)와; 상기 프린터 본체(12)의 상기 내부공간(14)에 배치되며 상기 스테이지(16) 상에 조형 용융액(52)을 토출하는 본 실시예에 따른 3차원 프린터 헤드(18)와; 상기 3차원 프린터 헤드(18)가 결합되어 상기 3차원 프린 헤드의 위치를 설정하는 이송기구(미도시)를 포함한다.
프린터 본체(12)는, 3차원 프린터의 몸체를 이루는 것으로, 내부공간(14)이 구획되도록 다수의 프레임이 설치되고, 프레임을 감싸는 투명 패널 등으로 이루어질 수 있다.
프린터 본체(12)의 내부공간(14)에는 후술할 3차원 프린터 헤드(18)를 3차원적으로 이동시키는 이송기구(미도시)가 구비될 수 있고, 이송기구에 3차원 프린터 헤드(18)가 결합된다.
스테이지(16)는, 프린터 본체(12)의 내부공간(14)에 배치된다. 스테이지(16)는 3차원 프린터 헤드(18)에서 토출되는 조형 용융액(52)이 적층되어 3차원 입체물(20)이 형성되는 곳으로서, 3차원 프린터 헤드(18)의 이동을 위한 이송기구와 별도로 스테이지(16)가 2차원적으로 이동될 수 있다.
3차원 프린터 헤드(18)는, 프린터 본체(12)의 내부공간(14)에 배치되며 스테이지(16) 상에 조형 용융액(52)을 토출하여 3차원 입체물(20)을 형성한다. 3차원 프린터 헤드(18)는 스테이지(16)에 대향하여 배치되며 3차원 프린터 헤드(18)에서 토출되는 조형 용융액(52)이 스테이지(16)에 적층되면서 3차원 입체물(20)을 형성한다.
본 실시예에 따른 3차원 프린터 헤드(18)는, 조형 필라멘트(22)와 조형 펠릿(26)을 동시에 공급하고 용융하여 다중의 조형 용융액(52)을 토출하게 된다. 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명하기로 한다.
한편, 3차원 프린팅 과정에서 프린팅에 오류가 발생하는 경우 이미 조형된 입체물이 폐기될 수 있는데 이는 고가의 조형 소스의 낭비를 초래한다. 본 실시예에 따른 3차원 프린터 헤드(18)는 조형 과정에서 발생한 이러한 입체폐기물(58)을 재활용할 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 입체폐기물(58)을 조형 펠릿(26) 형태로 잘게 파쇄하고 이를 조형 소스로 사용함으로써 재료의 낭비를 줄일 수 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드(18)에 대해서 자세히 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드(18)는, 조형 필라멘트(22)와 조형 펠릿(26)을 공급받아 다중의 조형 용융액(52)을 토출하는 3차원 프린터 헤드(18)로서, 상기 조형 필라멘트(22)를 공급하는 필라멘트 공급부(24)와; 상기 조형 펠릿(26)을 공급하는 펠릿공급부(28)와; 내부에 길이 방향으로 관통부(30)가 구비되고 상기 펠릿공급부(28)로부터 상기 조형 펠릿(26)이 공급되며 상기 조형 펠릿(26)이 이동하는 노즐관(32)과; 상기 노즐관(32)의 상기 관통부(30)에 배치되며 회전에 따라 상기 조형 펠릿(26)을 상기 노즐관(32)의 일단부으로 전진시키며, 내부에 길이 방향을 따라 상기 조형 필라멘트(22)가 관통하여 공급되는 필라멘트 공급로(34)가 형성되는 회전스크류(42)와; 상기 노즐관(32)을 가열하여 상기 조형 펠릿(26) 및 상기 조형 필라멘트(22)를 용융하여 다중의 조형 용융액(52)을 만드는 히팅부(50)와; 상기 노즐관(32)의 일단부에 결합되며 상기 조형 용융액(52)을 토출되는 노즐촉(44)을 포함한다.
조형 필라멘트(22)는 열가소성 플라스틱, ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PLA(Polyactic acid) 등으로 이루어진 가느다란 선형의 재료로서, 3차원 프린터 헤드(18)에 필라멘트 형태로 공급된 후 가열에 의해 용융되면서 토출되는 3차원 프린터 재료이다. 조형 필라멘트(22)는 필라멘트 공급릴(25)에 감겨 있다가 이송롤(29)의 회전에 따라 선형의 형태로 3차원 프린터 헤드(18)로 공급된다.
조형 펠릿(26)은 열가소성 플라스틱, ABS, PLA, 유리 등 열에 의해 용융되는 재질로서, 알갱이 형태로 제공되는 것을 말한다. 본 실시예에서는 조형 펠릿(26)의 형태가 알갱이 형태로 제시하고 있으나 이에 한정되지 않고 분말 형태의 조형 펠릿(26)을 포함한다. 조형 필라멘트(22)의 경우에도 이러한 원재료 형태인 조형 펠릿(26)을 압출 성형하여 와이어 형태의 조형 필라멘트(22)로 만들어 질 수 있다.
본 실시예에서는 조형 필라멘트(22)의 재질과 조형 펠릿(26)의 재질을 달리하여 서로 다른 재질이 섞인 다중의 조형 용융액(52)이 토출되도록 구성하였다. 이에 따라 다중의 조형 용융액(52)을 토출하여 3차원 입체물(20)을 조형할 수 있다. 조형 용융액(52)을 서로 다른 재질의 조형물질로 형성함으로써 다양한 형태의 3차원 입체물(20)의 제조가 가능하다.
*필라멘트 공급부(24)는, 조형 필라멘트(22)가 감겨있는 필라멘트 공급릴(25)과, 필라멘트 공급릴(25)에 감겨있는 조형 필라멘트(22)를 3차원 프린터 헤드(18)로 공급하는 이송롤(29)을 구비할 수 있다. 조형 필라멘트(22)의 외주 일측에 아이들러(27)(idler)를 배치하고 타측에 이송롤(29)을 배치한 상태에서 이송롤(29)을 회전시키면 이송롤(29)과 조형 필라멘트(22)의 마찰력에 의해 조형 필라멘트(22)가 전진되거나 후진되도록 구성될 수 있다.
펠릿공급부(28)는 고체 상태의 조형 펠릿(26)을 저장하고 있다가 노즐관(32)으로 공급한다. 종래와 같이, 조형 필라멘트(22)만을 용융하여 3차원 입체물(20)을 형성하는 경우 적층 레이어를 얇게 하여 정밀도가 높은 조형물을 제작할 수 있으나, 자동차, 건축물 등 대형의 3차원 입체물(20)을 형성하는 경우 조형 효율이 떨어질 수 있는데, 조형 필라멘트(22)와 함께 원재료 형태인 조형 펠릿(26)을 조형 소스로 사용함으로써 대형의 3차원 입체물(20)의 경우에도 조형 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.
본 실시예에 따른 펠릿공급부(28)는, 노즐관(32)과 연통되며 노즐관(32)에 조형 펠릿(26)을 공급하는 호퍼부(54)와, 호퍼부(54)의 내부에 마련되며 회전에 따라 조형 펠릿(26)을 혼합하는 혼합스크류(56)를 포함한다. 본 실시예에서는 회전스크류(42)의 봉체(34)에 별도의 혼합스크류용 나선을 부착하여 혼합스크류(56)와 회전스크류(42)가 동시에 회전되도록 구성하였다. 물론 혼합스크류(56)와 회전스크류(42)를 분리하여 별개로 회전되도록 구성하는 것도 가능하다.
3차원 프린터에 있어서 도 6에 도시된 바와 같이 각 펠릿저장부(64)의 펠릿계량부(66)에서 계량되어 펠릿공급부(28)로 유입되는 서로 다른 조형 펠릿(26)은 호퍼부(54)의 혼합스크류(56)의 회전에 따라 서로 혼합되어 노즐관(32)으로 유입될 수 있다.
노즐관(32)은, 내부에 길이 방향으로 관통부(30)가 구비되고, 펠릿공급부(28)로부터 조형 펠릿(26)이 공급되어 조형 펠릿(26)이 이동하는 통로를 제공한다. 노즐관(32)의 길이 방향으로는 관통부(30)가 관통하여 형성되고, 펠릿공급부(28)로부터 유입되는 고체 상태의 조형 펠릿(26)이 관통부(30)를 따라 이동한다. 조형 펠릿(26)의 이동을 위해 노즐관(32)의 관통부(30)에는 회전스크류(42)가 구비되며, 회전스크류(42)의 회전에 따라 관통부(30)의 조형 펠릿(26)이 일단으로 전진되거나 타단으로 후퇴하게 된다.
회전스크류(42)는, 노즐관(32)의 관통부(30)에 배치되며 회전에 따라 조형 펠릿(26)을 노즐관(32)의 단부로 전진 또는 후퇴시킨다. 회전스크류(42)의 내부에는 길이 방향을 따라 조형 필라멘트(22)가 관통하여 공급되는 필라멘트 공급로(34)가 형성된다.
회전스크류(42)에는 모터(미도시) 등의 구동부가 결합되어 정역 회전에 따라 노즐관(32)의 관통부(30) 내의 조형 펠릿(26)을 전진시키거나 후진시킬 수 있다. 회전스크류(42)의 나사산의 간격은 조형 펠릿(26)의 크기, 조형 용융액(52)의 토출 속도 등을 고려하여 결정될 수 있다.
회전스크류(42)의 내부에는 상술할 조형 필라멘트(22)가 관통하여 공급되는 필라멘트 공급로(34)가 형성된다. 회전스크류(42)의 타단부에서 삽입된 조형 필라멘트(22)는 필라멘트 공급로(34)를 통하여 회전스크류(42)의 일단부으로 이동하고, 일단부로 이동하는 조형 필라멘트(22)가 용융되면서 노즐촉(44)으로 토출하게 된다.
본 실시예에서는 회전스크류(42)의 봉체(34)에 하나의 필라멘트 공급로(34)를 형성하여 하나의 조형 필라멘트(22)를 공급할 수 있도록 하였으나, 봉체(34) 내부에 복수의 필라멘트 공급로(34)를 형성하여 다수의 서로 다른 조형 필라멘트(22)를 공급할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.
회전스크류(42)의 회전에 의해 조형 펠릿(26)이 회전스크류(42)의 일단부 방향으로 이동하고, 동시에 회전스크류(42)의 필라멘트 공급로(34)를 통해 조형 필라멘트(22)가 회전스크류(42)의 일단부 방향으로 이동하면서 히팅부(50)에 의해 함께 용융되어 노즐촉(44)에서 토출되게 된다.
한편, 본 실시예에 따른 회전스크류(42)는, 필라멘트 공급로(34)가 길이 방향을 따라 관통하여 형성되는 선형의 봉체(34)와, 선형의 봉체(34)의 외주에 길이 방향을 따라 형성되는 나선(38)을 포함하여 이루어진다. 봉체(34)의 일단부에는 봉체(34)의 일단으로 갈수록 단면이 확대되는 단면확대부(40)가 형성되고, 단면확대부(40)에 형성되는 나선(38)의 높이는 봉체(34)의 일단으로 갈수록 높이가 낮아지도록 형성될 수 있다. 노즐관(32)의 내부에 봉체(34)의 단면확대부(40)가 존재하므로 콘크리트 혼합물이 노즐관(32)의 일단부에서 타단부로 이동하는 과정에서 조형 펠릿 용융액(51)이 토출되는 단면적이 축소되면서 토출 압력이 발생하여 3차원 프린터 헤드(18)에서 토출되는 조형 펠릿 용융액(51)을 일정량으로 토출시킬 수 있게 된다.
히팅부(50)는, 노즐관(32)을 가열하여 조형 펠릿(26) 및 조형 필라멘트(22)를 용융하여 다중의 조형 용융액(52)을 만들게 된다. 상술한 바와 같이, 회전스크류(42)를 통하여 조형 펠릿(26)과 조형 필라멘트(22)가 노즐관(32)의 일단부 방향으로 이동하고, 이동과정에서 히팅부(50)가 조형 펠릿(26)과 조형 필라멘트(22)를 가열하여 용융시켜 다중의 조형 용융액(52)을 만들게 된다.
본 실시예에 있어 히팅부(50)는, 노즐관(32)의 길이 방향을 따라 이격되어 배치되는 복수의 히팅유닛(46)을 포함한다. 히팅유닛(46)은 노즐관(32)의 내부를 따라 이동하는 고체 상태의 조형 펠릿(26) 및 조형 필라멘트(22)에 열을 가하여 용융한다. 히팅유닛(46)은 노즐관(32)의 길이 방향으로 따라 서로 이격되어 설치될 수 있는데, 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 노즐촉(44)에 인접하여 노즐관(32)의 일단부에 서로 이격되어 배치되도록 구성하였다. 노즐관(32)의 타단을 통해 유입되는 조형 펠릿(26)과 조형 필라멘트(22)가 회전스크류(42)를 통해 노즐관(32)의 일단부로 이동하면서 노즐촉(44)에서 토출되기 직전에 용융되도록 구성한 것이다.
본 실시예의 경우, 서로 이격되어 있는 복수의 히팅유닛(46)에서 순차적으로 열을 가하면서 조형 펠릿(26)이 균질하게 융융되도록 할 수 있다. 복수의 히팅유닛(46) 각각에는 각 히팅유닛(46) 위치에서의 조형 용융액(52)의 온도를 측정할 수 있는 온도센서(48)가 부착되는데, 제어부(미도시)에서 각 히팅유닛(46)에서의 조형 용융액(52)의 온도를 측정하여 최적의 용융 온도를 결정하게 된다.
한편, 본 실시예에 따른 3차원 프린터 헤드(18)는, 상술한 3차원 프린터 헤드(18)의 무게를 측정하는 헤드중량 측정부(미도시)를 포함할 수 있다. 히팅유닛(46)의 가열에 따라 고체 상태의 조형 펠릿(26)이 액체 상태의 조형 용융액(52)으로 상변화가 이루어지는 경우 물리적으로 중량이 변동이 발생하게 되는데, 히팅유닛(46)에서의 조형 용융액(52)의 온도 측정과 함께 3차원 프린터 헤드(18)의 무게를 측정하여 3차원 프린터 헤드(18)의 무게의 변화가 일어날 때의 조형 용융액(52)의 온도를 해당 조형 펠릿(26)의 최적의 용융 온도를 선정할 수 있다.
조형 펠릿(26)과 조형 필라멘트(22)의 종류나 특성을 알고 있는 경우에는 실험성적서 등에 의해 해당 조형 펠릿(26)의 최적의 용융 온도를 미리 알 수 있으나, 입체폐기물(58)을 재활용하는 경우에는 해당 입체폐기물(58)의 정확한 용융 온도를 알 수 없는 경우가 많다. 따라서 상술한 복수의 히팅유닛(46), 온도센서(48), 헤드중량 측정부(미도시)에 의해 해당 입체폐기물(58)의 정확한 용융 온도를 결정할 수 있다.
노즐촉(44)은, 노즐관(32)의 일단부에 결합되며, 노즐관(32)을 이동하는 과정에서 용융된 조형 필라멘트 용융액(49)과 조형 펠릿 용융액(51)이 토출된다. 도 2는 본 실시예에 따른 노즐촉(44)을 도시하고 있는데, 노즐촉(44)에는 조형 용융액(52)이 토출되는 노즐공(45)이 구비된다. 회전스크류(42)의 필라멘트 공급로(34)를 통해 토출되는 조형 필라멘트 용융액(49)은 노즐공(45)의 중심에서 토출되고, 조형 펠릿 용융액(51)은 심부의 조형 필라멘트 용융액(49) 감싸면서 노즐공(45)에서 토출되게 된다. 즉, 도 1 및 도 3을 참고하면, 조형 필라멘트 용융액(49)은 회전스크류(42)의 중심을 관통하여 토출되고, 조형 펠릿 용융액(51)은 회전스크류(42)의 외주를 따라 이동하여 조형 필라멘트 용융액(49)을 감싸면서 토출된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 조형 필라멘트 용융액(49)은 조형 펠릿 용융액(51)의 심부에 위치하고 경화 후에도 이와 동일한 동일한 단면을 이루게 된다.
조형 필라멘트 용융액(49)의 경화 후의 강성이 조형 펠릿 용융액(51)의 경화 후의 강성보다 크게 되도록 조형 필라멘트(22)와 조형 펠릿(26)을 선정한다면, 조형된 3차원 입체물(20)을 보다 튼튼하게 구축할 수 있다. 그리고, 강성이 큰 하나의 재질로 3차원 입체물(20)을 제조하는 경우 재료의 특성 상 비용이 증가될 수 있으므로, 뼈대를 이루는 심부의 재질을 강성이 큰 것으로 하고, 심부를 감싸는 외주 재질을 강성이 다소 약한 재질을 선정하여 3차원 입체물(20)을 조형한다면 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.
*한편, 노즐촉(44)은 복수 개로 구비되어 각각 노즐관(32)의 일단부에 교체 가능하게 결합될 수 있으며, 복수 개의 노즐촉(44) 각각에는 서로 다른 토출패턴의 노즐공(45)이 형성될 수 있다. 서로 다른 토출패턴의 노즐공(45)을 갖는 다양한 형태의 노즐촉(44)을 준비하여 두고, 3차원 입체물(20)의 형태나 특징에 따라 노즐촉(44)을 교체하여 사용할 수 있다.
도 4에는 다양한 형태의 노즐공(45)을 갖는 노즐촉(44)을 도시하고 있는데, 조형 필라멘트 용융액(49)과 조형 펠릿 용융액(51)의 토출 패턴을 다르게 하기 위하여 조형 필라멘트 용융액(49)이 토출되는 제1 노즐공(47)과; 제1 노즐공(47)의 외주를 따라 형성되며, 조형 펠릿 용융액(51)이 토출되는 제2 노즐공(49)을 구비한 다양한 형태의 노즐공(45)을 제시하고 있다. 즉, 노즐관(32)에 노즐촉(44)이 결합되면, 제1 노즐공(47)은 회전스크류(42)의 필라멘트 공급로(34)에 상응한 위치에 있어 조형 필라멘트 용융액(49)이 토출되고, 제2 노즐공(49)은 회전스크류(42)의 외주에 상응한 위치에 형성되어 조형 필라멘트 용융액(49)을 감싸면서 조형 펠릿 용융액(51)이 토출된다.
노즐관(32)은 열전도율이 높은 금속 재질로 이루어질 수 있는데, 예를 들면, 황동, 알루미늄 등을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다. 노즐관(32)의 외측에는 노즐관(32) 내부의 조형 필라멘트(22) 및 조형 펠릿(26)을 용융하기 위한 히팅부(50)가 구비되는데, 히팅부(50)의 열이 내부의 조형 펠릿(26) 및 조형 필라멘트(22)로 잘 전달되도록 노즐관(32)은 열전도율이 높은 재질로 이루지는 것이다.
도 6은 본 실시예에 따른 3차원 프린터의 조형 펠릿 공급 과정을 설명하기 위한 도면이다. 본 실시예에 따른 3차원 프린터는, 서로 다른 복수의 조형 펠릿(26)이 각각 저장되며, 펠릿공급부(28)에 복수의 조형 펠릿(26)을 공급하는 복수의 펠릿저장부(64)와; 복수의 펠릿저장부(64)에 각각 결합되어, 각각의 펠릿저장부(64)에서 펠릿공급부(28)로 공급되는 조형 펠릿(26)을 계량하는 펠릿계량부(66)를 포함할 수 있다.
서로 다른 특성을 갖는 복수의 조형 펠릿(26)을 혼합함으로써 새로운 특성을 갖는 조형 용융액(52)을 제조할 수 있다. 예를 들면, 서로 다른 색상의 조형 펠릿(26)을 적절한 배합비로 혼합하여 원하는 색상의 조형 용융액(52)을 형성하여 다양한 색상의 3차원 입체물(20)을 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 펠릿저장부(64) 각각에는 조형 펠릿(26)의 배합량을 조절할 수 있는 펠릿계량부(66)가 구비되어 있는데, 사용자가 원하는 특성에 따라 복수의 조형 펠릿(26)의 배합량을 결정하고 이에 따라 각 펠릿저장부(64)의 펠릿계량부(66)에서 조형 펠릿(26)을 계량하고 이를 혼합하여 공급관(68)을 통해 펠릿공급부(28)에 공급한다. 각 펠릿저장부(64)의 펠릿계량부(66)에서 계량되어 펠릿공급부(28)로 유입되는 서로 다른 조형 펠릿(26)은 호퍼부(54)의 혼합스크류(56)의 회전에 따라 서로 혼합되어 노즐관(32)으로 유입된다. 서로 혼합되는 조형 펠릿(26)은 노즐관(32)의 복수의 히팅유닛(46)에 의해 용융되면서 조형 펠릿 용융액(51)으로 상변화가 일어나게 된다. 이 경우, 서로 다른 특성을 갖는 조형 펠릿(26)의 용융 온도는 서로 다를 수 있기 때문에 상술한 바와 같이 복수의 히팅유닛(46)을 거치면서 최적의 용융 온도가 결정되고 최적의 용융 온도로 가열되어 균질한 조형 펠릿 용융액(51)을 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 3차원 프린터는, 입체폐기물(58)을 재활용할 수 있다. 3차원 프린팅 과정에서 프린팅에 오류가 발생하는 경우 이미 조형된 입체물(20)이 폐기될 수 있는데 이는 고가의 조형 소스의 낭비를 초래한다. 본 실시예에서는 이러한 입체폐기물(58)을 잘게 파쇄하여 이를 3차원 프린터 헤드(18)에 공급함으로써 재활용이 가능하다.
덩어리 형태로 잘려진 입체폐기물(58)이 유입되면 파쇄부(60)를 이를 잘게 파쇄하여 조형 펠릿(26) 형태로 재생하고 이를 펠릿저장부(64)로 공급한다. 펠릿저장부(64)로 공급된 재생 조형 펠릿(26)은 다시 3차원 프린터 헤드(18)로 공급되어 조형 소스로 사용된다.
파쇄부(60)는 파쇄 과정을 다단으로 구성하여 큰 덩어리부터 순차적으로 파쇄하여 조형 소스를 사용하기 알맞은 펠릿 형태로 파쇄하여 이를 펠릿저장부(64)에 공급하도록 구성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 조형 필라멘트와 조형 펠릿을 공급받아 다중의 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드로서,
    상기 조형 필라멘트를 공급하는 필라멘트 공급부와;
    상기 조형 펠릿을 공급하는 펠릿공급부와;
    내부에 길이 방향으로 관통부가 구비되고 상기 펠릿공급부로부터 상기 조형 펠릿이 공급되며 상기 조형 펠릿이 이동하는 노즐관과;
    상기 노즐관의 상기 관통부에 배치되며 회전에 따라 상기 조형 펠릿을 상기 노즐관의 일단부로 전진시키며, 내부에 길이 방향을 따라 상기 조형 필라멘트가 관통하여 공급되는 필라멘트 공급로가 형성되는 회전스크류와;
    상기 노즐관을 가열하여 상기 조형 펠릿 및 상기 조형 필라멘트를 용융하여 다중의 조형 용융액을 만드는 히팅부와;
    상기 노즐관의 일단부에 결합되며 상기 조형 용융액을 토출되는 노즐촉을 포함하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펠릿공급부는,
    상기 노즐관과 연통되며, 상기 노즐관에 상기 조형 펠릿을 공급하는 호퍼부와;
    상기 호퍼부의 내부에 마련되며, 회전에 따라 상기 조형 펠릿을 혼합하는 혼합스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전스크류는,
    상기 필라멘트 공급로가 길이 방향을 따라 관통하여 형성되는 선형의 봉체와;
    상기 선형의 봉체의 외주에 길이 방향을 따라 형성되는 나선 포함하며,
    상기 봉체의 일단부에는 상기 봉체의 일단으로 갈수록 단면이 확대되는 단면확대부가 형성되고, 상기 단면확대부에 형성되는 나선의 높이는 상기 봉체의 일단으로 갈수록 높이가 낮아지는 것을 특징으로 하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노즐촉에는 상기 조형 용융액이 토출되는 노즐공이 형성되며,
    상기 노즐공은,
    상기 조형 필라멘트 용융액이 토출되는 제1 노즐공과;
    상기 제1 노즐공의 외주를 따라 형성되며, 상기 조형 펠릿 용융액이 토출되는 제2 노즐공을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노즐촉은 복수 개로 구비되어 각각 상기 노즐관의 일단부에 교체 가능하게 결합되며,
    상기 복수 개의 노즐촉 각각에는 서로 다른 토출패턴의 노즐공이 형성되는 것을 특징으로 하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 히팅부는,
    상기 노즐관의 길이 방향을 따라 이격되어 배치되는 복수의 히팅유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 히팅유닛은,
    상기 노즐촉에 인접하여 상기 노즐관의 일단부에 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 히팅유닛의 각각에는 상기 조형 용융액의 온도를 측정하는 온도센서가 구비되는 것을 특징으로 하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 3차원 프린터 헤드의 무게를 측정하는 헤드중량 측정부를 더 포함하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 조형 필라멘트 용융액의 경화 후 강성은 상기 조형 펠릿 용융액의 경화 후 강성보다 큰 것을 특징으로 하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 노즐관은 열전도율이 높은 금속 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드.
  12. 내부 공간이 구획되는 프린터 본체와;
    상기 프린터 본체의 상기 내부 공간에 배치되는 스테이지와;
    상기 프린터 본체의 상기 내부 공간에 배치되며 상기 스테이지 상에 조형 용융액을 토출하는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 상기 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터 헤드와;
    상기 3차원 프린터 헤드가 결합되어 상기 3차원 프린터 헤드의 위치를 설정하는 이송기구를 포함하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터.
  13. 제12항에 있어서,
    서로 다른 복수의 상기 조형 펠릿이 각각 저장되며, 상기 펠릿공급부에 상기 복수의 상기 조형 펠릿을 공급하는 복수의 펠릿저장부와;
    상기 복수의 펠릿저장부에 각각 결합되어, 각각의 상기 펠릿저장부에서 상기 펠릿 공급부로 공급되는 상기 조형 펠릿을 계량하는 펠릿계량부를 더 포함하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터.
  14. 제13항에 있어서,
    입체 폐기물을 잘게 파쇄하여 조형 펠릿을 재생하며, 상기 복수의 펠릿저장부로 재생된 상기 조형 펠릿을 공급하는 파쇄부를 더 포함하는, 다중 조형 용융액을 토출하는 3차원 프린터.
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