KR101547820B1 - 입자 이송관을 포함하는 3차원 성형물 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 성형재료 입자를 용융시키고 용융된 성형재료 입자의 토출 위치를 제어하여 소정의 3차원 성형물을 제조하는 장치에 관한 것으로서, 성형재료 입자를 용융시키고 노즐을 통하여 토출시켜 3차원 성형을 수행하는 압출부와, 상기 압출부에 공급되는 성형재료 입자를 임시로 저장하는 저장용기와, 상기 저장용기에 저장된 성형재료 입자를 상기 압출부로 이송시키는 통로를 제공하는 이송관과, 상기 압출부의 위치를 제어하는 압출부 위치 제어부를 포함하고, 상기 이송관은 복수개의 단위 이송관이 연결되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

입자 이송관을 포함하는 3차원 성형물 제조장치{Equipment for fabrication of three dimensional structures using the transfer pipe}

본 발명은 입자 이송관을 포함하는 3차원 성형물 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 수지 펠렛과 같이 작은 입자를 막힘없이 이송시킬 수 있는 입자 이송관을 이용한 3차원 성형물 제조장치에 관한 것이다.

3차원 프린터(Three dimension printer, 3D printer)는 설계 데이터에 따라 액체ㅇ파우더 형태의 폴리머, 금속 등의 재료를 가공·적층 방식으로 쌓아올려 입체물을 제조하는 장치이다. 3차원 프린팅 기술은 2000년대 후반 이후부터 각종 기관의 미래유망기술로 부각되어 왔으며, 다양한 분야에서 사용이 확산되어 가고 있는데, 다수의 부품으로 구성된 자동차 분야 외에도 의료용 인체모형이나 칫솔이나 면도기와 같은 가정용 제품 등의 다양한 모형을 만들기 위한 용도로 많은 제조업체에서 사용하고 있다.

3차원 프린팅의 재료로는 녹고 굳는 것이 자유로운 고체 형태의 열가소성 플라스틱이 시장의 40%를 점유하고 있다. 3차원 프린터용 플라스틱 소재로는 주로 가는 실 형태의 필라멘트(filament)를 사용하는데, 타 방식에 비해 프린팅 장치의 구조와 프로그램이 간단하기 때문에 장비 가격과 유지보수 비용이 낮다는 장점이 있다. 필라멘트를 사용하는 3차원 프린터에 관한 선행기술로는 한국등록특허 제1346704호가 있다. 상기 선행문헌은 멀티칼라 제품성형이 가능한 3D 프린터에 관한 것으로, 프레임의 상부에 배치되어 XY방향으로 위치조절되는 히터노즐과, 상기 히터노즐에 대하여 상대적으로 Z방향으로 위치조절되는 작업대와, 복수개의 열가소성 필라멘트를 각각 이송하는 복수개의 필라멘트 이송부를 구비하고, 필라멘트가 개별적으로 도입되는 노즐바디와, 필라멘트가 배출되는 노즐헤드와, 히터노즐과 필라멘트 이송부의 이송 동작을 개별적으로 제어하는 콘트롤러를 포함하는 3D 프린터에 관해 개시하고 있다.

그러나 최근에는 플라스틱 재료를 필라멘트 형태로 만들지 않고, 최초의 원료인 펠릿(pellet) 형태 그대로 사용하여 인쇄 재료의 제조를 용이하게 하고, 재료비를 절감할 수 있으며 재료의 선택폭을 넓힐 수 있는 방법이 개발되었다. 그러나 펠렛을 사용하는 경우 압출기가 무겁기 때문에 이를 상부에 고정시키고, 성형물 받침판을 3차원으로 움직여 인쇄하는 방법으로 구동된다. 이와 같은 구조에서는 성형물 받침판이 움직일 수 있는 큰 공간이 필요함에 따라 3차원 프린터의 크기가 커지고 가격이 비싸지며, 인쇄가 진행될수록 성형물 받침판이 무거워져 인쇄 정밀도가 낮아진다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 용융될 수 있는 성형재료 입자를 원활하게 압출부로 이송시킬 수 있고, 장치의 규모를 소형화하며, 인쇄 정밀도를 높일 수 있는 3차원 성형물 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 성형재료 입자를 용융시키고 용융된 성형재료 입자의 토출 위치를 제어하여 소정의 3차원 성형물을 제조하는 장치로서, 성형재료 입자를 용융시키고 노즐을 통하여 토출시켜 3차원 성형을 수행하는 압출부와, 상기 압출부에 공급되는 성형재료 입자를 임시로 저장하는 저장용기와, 상기 저장용기에 저장된 성형재료 입자를 상기 압출부로 이송시키는 통로를 제공하는 이송관과, 상기 압출부의 위치를 제어하는 압출부 위치 제어부를 포함하고, 상기 이송관은 복수개의 단위 이송관이 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 성형물 제조장치를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 복수개의 단위 이송관이 연결되어 이루어진 이송관은, 단위 이송관 중 적어도 어느 하나가 다른 인접한 이송관의 내부에 삽입되어 연결되고, 상기 삽입되어 연결된 단위 이송관들의 연결부위 길이가 조절될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 단위 이송관들의 연결부위에 걸림턱이 형성되어서 단위 이송관들이 서로 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 단위 이송관들은 상기 저장용기에 가까운 단위 이송관의 직경이 상기 압출부에 가까운 단위 이송관의 직경보다 작은 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 저장용기와 이송관 사이 또는 상기 압출부와 이송관 사이에 유연한 연결부가 형성될 수 있다.

본 발명의 3차원 성형물 제조장치용 이송관은 아래의 효과를 지닌다.

1. 복수개의 단위 이송관들이 서로 삽입결합되어 이송관의 길이가 조절되므로, 성형재료 입자의 저장용기 위치가 고정된 상태에서도 압출부의 위치 변화에 따라 이송관을 통하여 성형재료 입자를 원활하게 압출부에 공급할 수 있다.

2. 이송관이 적어도 3개의 단위 이송관이 삽입 연결되므로, 최소 길이가 최대 길이의 2배 이상이 될 수 있고, 따라서, 압출부의 이동 위치가 중앙부에서 2배가 되는 경우에도 이송관의 경사각도를 30도 이상으로 유지하여 성형재료 입자가 관 내부에서 막히지 않고 원활하게 이송될 수 있다.

3. 단위이송관의 직경이 압출부에 가까운 쪽으로 갈수록 커지므로, 성형재료 입자가 이송관의 연결부위에서 걸리지 않고 원활하게 이송될 수 있다.

4. 단위 이송관들의 연결부위에 탄성부재가 설치된 실시 형태에서, 압출부의 위치가 변화되는 경우에도 저장용기와 압출부을 연결하는 이송관이 직선 형태를 유지하므로, 중력에 의하여 이송되는 성형재료 입자가 일정한 경사를 따라 이송될 수 있다.

5. 성형 재료로 펠렛 형태의 고분자 수지를 사용하므로, 성형 재료의 제조가 용이하여 재료비를 절감할 수 있으며, 재료의 선택폭이 넓고, 펠렛의 크기나 형상을 조절하여 성형물의 제조품질을 향상시킬 수 있다.

6. 압출기로 투입되는 인쇄 재료를 임시적으로 보관하는 저장용기를 제1저장용기에서 제2저장용기로 구분하여 고분자 수지 입자를 투입하고, 제1저장용기는 압출기의 위치 제어와 상관없이 실질적으로 고정되므로, 압출기의 위치 제어 정밀도를 향상시킬 수 있고, 위치 제어부의 제조비용을 감소시킬 수 있다.

7. 또한 제1저장용기는 제2저장용기에 비하여 상대적으로 저장용량이 크므로, 성형 재료의 최초 로딩량을 크게 확보하여 연속적인 작동이 용이하다.

8. 압출기에 연결된 제2저장용기는 성형 재료의 로딩량을 감지하는 센서를 구비하고, 센싱된 결과에 따라 제1저장용기로부터 제2저장용기로 성형재료가 공급되므로, 압출기의 무게 및 부피를 줄일 수 있고, 따라서 압출기의 위치 제어 수단을 소형화하고 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

9. 압출기를 x, y, z 방향으로 위치 제어하거나, 압출기를 x, y방향으로 위치 제어고 성형물 제조판을 z 방향으로 위치 제어하므로, 성형물 제조판의 수평방향 이동이 수반되지 않으므로 3차원 성형물 제조장치의 부피를 감소시킬 수 있다.

10. 압출기의 직경과 성형재료인 펠렛의 크기를 소정의 범위로 제한하여 압출기의 부피가 줄어든 상태에서도 펠렛의 용융이 효과적으로 이루어지도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 3차원 성형물 제조장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 3차원 성형물 제조장치에 적용되는 이송관의 일 구현예를 도시한 것이다.
도 3은 압출부의 위치가 변화되면서 이송관의 길이 및 경사각이 변화되는 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 3차원 성형물 제조장치에 적용되는 이송관의 일 구현예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 3차원 성형물 제조장치에 적용되는 이송관의 연결구조에 관한 실시 형태를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 단위 이송관의 연결부위에 탄성부재가 설치된 이송관의 길이 변형과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따라 이송관과 저장용기 사이에 유연 연결부가 결합된 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따라 이송관에 결합된 진동 발생부를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 3차원 성형물 제조장치에 적용되는 성형재료 입자 이동 조절수단을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 3차원 성형물 제조장치의 압출부를 나타낸 것이다.

본 발명은 성형재료 입자를 용융시키고 용융된 성형재료 입자의 토출 위치를 제어하여 소정의 3차원 성형물을 제조하는 장치에 관한 것으로서, 성형재료 입자를 용융시키고 노즐을 통하여 토출시켜 3차원 성형을 수행하는 압출부와, 상기 압출부에 공급되는 성형재료 입자를 임시로 저장하는 저장용기와, 상기 저장용기에 저장된 성형재료 입자를 상기 압출부로 이송시키는 통로를 제공하는 이송관과, 상기 압출부의 위치를 제어하는 압출부 위치 제어부를 포함하고, 상기 이송관은 복수개의 단위 이송관이 연결되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 3차원 성형물 제조장치는 고분자 수지와 같은 성형재료 입자를 로딩하는 저장용기가 압출기의 위치 변화에 상관없이 고정되는 것을 특징으로 한다. 이때, 저장용기로부터 압출기로 성형재료 입자가 원활하게 공급되는 것이 필요하다. 압출기의 크기가 작아지면 압출기에 공급되는 성형재료 입자의 크기도 함께 작아지게 되는데, 성형재료 입자의 크기가 작아지면 저장용기로부터 압출기로 입자를 막힘없이 공급하는 것이 어려워진다. 통로가 좁은 관을 통하여 작은 입자를 중력에 의하여 이송시키는 경우에 관 내부에서 입자들이 막혀 이송되지 못하는 경우가 발생될 수 있는데, 이는 이송관의 경사가 중간에 완만해지는 영역이 있는 경우에 특히 그러하다.

본 발명에서는 성형재료 입자가 로딩되는 저장용기와 성형재료의 용융토출이 이루어지는 압출기 사이를 연결하는 이송관을 복수개의 단위 이송관이 삽입결합된 형태로 설계하여, 압출기의 위치가 변화되는 동안에도 이송관이 실질적으로 직선의 형태를 유지하도록 하였다. 이와 같이 이송관이 직선의 형태를 유지하면, 이송관 내부에 일정한 크기의 경사가 유지되므로, 경사각이 완만해지는 영역에서의 입자 막힘을 효과적으로 방지할 수 있다.

아래에서 도면을 이용하여 본 발명의 3차원 성형물 제조장치에 관한 구체적인 실시형태와 작동에 관한 설명을 한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 3차원 성형물 제조장치의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 3차원 성형물 제조장치(100)는 압출부(110), 저장용기(101, 111) 및 압출부 위치 제어부(미도시)를 포함한다.

압출부(110)는 펠렛과 같은 고분자 수지 입자를 용융시키고 용융된 고분자 수지를 토출하여 소정의 형상을 가지는 3차원 성형물을 제조한다. 압출부(110)는 고분자 수지의 압출이 이루어지는 공간을 제공하는 고분자 수지 이동관과 고분자 수지 이동관의 내부 공간에 길이 방향으로 삽입 결합된 스크류(113)을 포함하는 압출기(112)로 이루어질 수 있고, 용융된 고분자 수지가 토출되는 노즐(119)과 노즐로의 토출을 제어하는 토출제어부(114)를 포함할 수 있다.

저장용기(101, 111)는 압출부(110)로 공급되는 고분자 수지 입자를 임시 저장하는 공간을 제공한다. 저장용기는 압출기의 전단에 결합된 제2저장용기(111)와 상기 제2저장용기(111)에 지속적으로 고분자 수지 입자를 공급하는 제1저장용기(101)로 구분되어 설치될 수 있고, 제1저장용기(101)와 제2저장용기(111)는 이송관(130)으로 연결되어 고분자 수지 입자가 이동할 수 있다. 이때, 제2저장용기(111)는 압출기(112)에 직접 결합되어 있으므로 압출기(112)와 함께 위치가 제어되며, 제1저장용기(101)는 압출기(112)의 위치와 상관없이 실질적으로 고정되게 설치될 수 있다. 제1저장용기가 실질적으로 고정되었다는 의미는 3차원 성형물 제조장치가 작동하는 동안 완전히 물리적으로 고정된 경우와, 위치가 변화하기는 하지만 압출기의 위치 변화와 상관없이 위치가 변화하는 경우를 모두 포함한다. 즉, 제1저장용기는 압출기의 위치 변화와 독립적인 관계로 설치될 수 있다. 제1저장용기(101)는 제1저장용기 고정부(102)에 고정될 수 있는데, 제1저장용기 고정부는 압출부와 별도의 공간으로 분리되어 설치될 수도 있다. 제2저장용기(111)는 제1저장용기(101)보다 상대적으로 작은 저장용량을 가질 수 있다. 제2저장용기는 압출기와 함께 이동하므로 많은 양의 고분자 수지 입자가 저장되면 이동시켜야 하는 부분이 무거워지고, 무게의 변화 폭도 커지므로 고분자 수지의 토출에 필요한 정도의 저장용량을 가지는 것이 바람직하다. 반면에 제1저장용기는 충분한 저장용량을 가져야 3차원 성형물 제조장치가 연속적으로 작동할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하여 압출부 위치 제어 수단의 제조비용이 감소하고, 위치 제어의 정확도도 향상될 수 있다. 또한 저장용기는 압출부에 결합되어 압출부와 함께 이동하는 제2저장용기를 포함하지 않을 수 있다. 제1저장용기(101)와 제2저장용기(111)를 연결하는 이송관(130)은 제1저장용기(101)와 제2저장용기(111)가 간섭을 받지 않으면서 이동할 수 있도록 한다. 제2저장용기가 구비되지 않는 경우, 이송관(130)은 제1저장용기(101)와 압출부(110)의 입구를 연결할 수 있다. 이송관(130)은 복수개의 단위 이송관이 연결되어 이루어질 수 있다. 이와 같이 구성된 이송관은 길이방향으로 신장 및 수축이 가능하고, 압출부의 위치가 이동되는 것에 따라서 이송관의 길이가 변화될 수 있다. 압출부의 위치가 변화되면 이송관의 길이가 변화되는 것에 외에도 제1저장용기와 이송관의 연결 각도가 변화될 수 있으므로, 제1저장용기와 이송관이 유연한 연결부로 연결될 수 있다. 또한, 이송관과 제2저장용기 또는 이송관과 압출부의 연결 부위에도 유연한 연결부가 구비될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하여 제1저장용기가 실질적으로 고정된 상태에서 제2저장용기 또는 압출부의 위치가 자유롭게 변화되는 것을 허용한다.

압출부 위치 제어부는 압출부의 위치를 이동시키는 이동수단과 이동 경로를 제어하는 콘트롤부를 포함한다. 압출부의 위치는 x, y, z 축 방향으로 제어될 수 있고, 상기 x, y, z 축 방향의 위치 제어는 서로 직각으로 형성되는 경우를 포함하며, 직각이 아니더라도 3차원의 이동이 가능하다면 어떠한 각도도 무방하다. 압출부의 위치를 이동시키는 수단은 다양한데, 도면에 도시한 바와 같이 압출부(110)를 이동블록(115)에 결합시키고, 이동블록(115)에 서로 직각으로 형성된 제1이동축(103)과 제2이동축(104)을 이동가능하게 결합하는 형태로 압출부를 평면상으로 위치 제어할 수 있다. 제1이동축(103)과 제2이동축(104)은 압출기 연결부(105)에 결합될 수 있는데, 도면에는 도시하지 않았지만 이동블록의 수직 방향 위치를 제어하기 위한 수단이 압출기 연결부에 추가로 구비될 수 있다. 이동블록을 이동하는 방법으로는 모터, 스크류 등으로 이루어진 길이방향 이동수단이 이용될 수 있고, 랙기어 및 피니언기어를 이용한 이동수단과 같은 이 분야의 공지된 이동수단이 널리 이용될 수 있다. 압출부의 이동경로는 콘트롤부에 의하여 제어가 가능한데, 예를 들면 사전에 입력된 경로에 따라 이동블록의 위치를 자동으로 이동시키는 방식의 제어가 적용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 압출부 위치 제어부는 압출부의 위치를 x, y축 방향으로 제어하며, 압출부에서 토출된 고분자 수지가 고정되어 성형물이 제조되는 성형물 제조판의 위치가 z축 방향으로 제어될 수도 있다. 이때는 성형물 제조판의 위치를 수직방향으로 제어하기 위한 추가의 성형물 제조판 이동수단과 콘트롤부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에서는 압출부의 위치가 평면상으로만 변화되므로, 압출부의 위치변화에 따른 이송관이 길이 변화를 최소화하고, 이송관의 경사각이 지나치게 완만해지는 것을 방지할 수 있다. 만약, 성형물 제조판의 위치가 고정되고, 압출부의 위치가 z축 방향으로까지 움직여야 한다면, 성형이 점차적으로 이루어지면서 압출부의 위치가 위쪽으로 이동하면서 이송관의 경사각이 완만해지므로 성형재료 입자의 이송이 원활해지지 않을 수 있다.

압출부의 하부에는 제조판 고정부(106)가 설치될 수 있고, 제조판 고정부(106)에는 성형물 제조판(108)이 결합될 수 있다. 성형물 제조판(108)은 성형물의 제조가 이루어지는 기재가 되고, 제조판 고정부(106)는 상기 성형물 제조판(108)을 고정하는 수단이 된다. 성형물 제조판 및 제조판 고정부는 압출부(110)의 움직임과 상관없이 고정될 수 있다. 본 발명에서는 성형물 제조판을 고정시키고 압출부의 위치를 제어하면서 성형물을 제조하므로 3차원 성형물 제조장치의 전체적인 부피를 감소시킬 수 있다. 본 발명의 3차원 성형물 제조장치는 상기 구성요소들을 감싸서 보호하는 하우징(107)을 더 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 3차원 성형물 제조장치에 적용되는 이송관의 일 구현예를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 이송관(130)은 복수개의 단위 이송관들(130a, 130b, 130c)이 서로 연결된 구조로 이루어진다. 제1단위 이송관(130a)의 위쪽 끝 영역에는 저장용기 또는 저장용기와 연결하는 유연 연결부에 결합될 수 있고, 아래쪽 끝 영역에는 하부 걸림턱(130a2)이 형성되어 있다. 제2단위 이송관(130b)의 위쪽 끝 영역에는 상부 걸림턱(130b1)이 형성되어 있고, 아래쪽 끝 영역에는 하부 걸림턱(130b2)이 형성되어 있다. 제3단위 이송관(130c)의 위쪽 끝 영역에는 상부 걸림턱(130c1)이 형성되어 있다. 단위 이송관들은 제1단위 이송관(130a)이 제2단위 이송관(130b)의 내부에 삽입되고, 제2단위 이송관(130b)이 제3단위 이송관(130c)의 내부에 삽입된 형태로 결합된다. 상부 걸림턱(130b1, 130c1)은 단위 이송관의 내부 방향으로 돌출되고, 하부 걸림턱(130a2, 130b2, 130c2)은 단위 이송관의 외부 방향으로 돌출되며, 인접하여 연결되는 상부 걸림턱과 하부 걸림턱은 서로 맞닿을 수 있는 두께로 돌출되어서 단위 이송관들의 거리가 멀어지는 방향으로 서로 이탈되는 것을 방지한다. 상부 걸림턱은 연결되는 단위 이송관의 외벽과 소정의 간격을 가지며 이격되고, 하부 걸림턱은 연결되는 단위 이송관의 내벽과 소정의 간격을 가지며 이격되며, 이때 걸림턱과 이송관 벽 사이의 간격은 이송관 전체의 길이가 실질적으로 직선을 유지할 수 있도록 인접하는 것이 유리하다.

이와 같은 실시 형태의 이송관의 결합 방법은 제1단위 이송관의 위쪽 끝이 제2단위 이송관의 아래쪽으로 삽입되고, 제2단위 이송관의 위쪽 끝이 제3단위 이송관의 아래쪽을 삽입되는 것이다. 이와 같이 삽입되어 결합된 단위 이송관들은 이송관의 전체 길이가 길어지는 방향의 끝에서 상부 걸림턱과 하부 걸림턱이 서로 맞닿아서 이탈되지 않는 구조가 된다. 제1단위 이송관의 위쪽 끝은 저장용기에 연결되고, 제3단위 이송관의 아래쪽 끝은 압출부 영역에 연결되므로, 전체 이송관은 신장하는 방향으로도 수축하는 방향으로도 서로 이탈하지 않는 구조를 가진다.

도 2에 도시한 형태의 단위 이송관들의 개수는 적어도 2개이며, 3개 이상인 것이 바람직하다. 단위 이송관의 연결개수를 이송관이 늘어날 수 있는 최대 길이와 관계되는데, 이는 아래의 도 3을 이용하여 설명하기로 한다. 제1단위 이송관의 길이 ℓ1, 제2단위 이송관의 길이 ℓ2, 제3단위 이송관의 길이 ℓ3가 서로 동일한 것이 바람직한데, 이러한 경우에 이송관의 최소 수축길이 대비 최대 신장길이가 최대가 될 수 있기 때문이다. 이러한 구조에서는 이송관의 최대 신장길이는 근사적으로 3×ℓ1이 될 수 있고, 최소 수축길이는 ℓ1(=ℓ2=ℓ3)가 될 수 있으며, 최대 신장길이는 최소 수축길이의 3배에 가깝게 될 수 있다.

도 3은 압출부의 위치가 변화되면서 이송관의 길이 및 경사각이 변화되는 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 (가)는 저장용기(101)와 압출부(111)가 수직인 위치에 있어서, 이송관(130)의 길이가 최소가 된 상태를 도시한 것이고, (나)는 압출부가 최대 이동거리까지 이동하여 저장용기와의 거리가 최대가 되며 이송관의 길이도 최대가 된 상태를 도시한 것이다. 이때, 압출부는 평면상으로만 이동하며, 수직방향으로 성형은 성형물 제조판이 이동하는 것으로 가정한다. 이송관 내부로 이동하는 성형재료 입자가 중력에 의하여 이송관 내부에서 이동하기 위해서는 이송관의 경사각이 30도를 초과하는 것이 바람직하다. 이송관의 경사각이 30도 미만이면, 이송관 내부에서의 성형재료 이송이 원활하지 않아서 저장용기에서 압출부로 성형재료 입자가 이송되지 않고 막힐 수 있다. 이송관의 경사각이 30도가 되는 경우에 이송관의 길이는 최소 이송관의 길이인 L1보다 2배인 2L1가 되는데, 이를 위해서는 도 2에 도시된 구조의 이송관에서 단위 이송관의 개수가 3개 이상인 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 3차원 성형물 제조장치에 적용되는 이송관의 일 구현예를 도시한 것이다. 도 4의 (가)는 이송관의 일부에 해당하는 외관을 나타낸 것이고, (나)는 (가)의 X-X' 방향 단면을 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 3차원 성형물 제조장치에 적용되는 이송관(140)은 복수개의 단위 이송관(140a, 140b, 140c)이 연결되어 이루어질 수 있다. 도면에서는 단위 이송관을 3개만 도시하였지만, 단위 이송관의 개수는 제1저장용기와 압출부의 거리, 이송관의 직경 등을 고려하여 다양하게 변형할 수 있다. 복수개의 단위 이송관(140a, 140b, 140c)이 연결되어 이루어진 이송관(140)은 제1단위 이송관(140a)이 인접한 제2단위 이송관(140b)에 삽입된 형태로 연결될 수 있다. 이와 같이 단위 이송관이 인접한 단위 이송관에 삽입되어 결합되면, 삽입된 깊이가 변화되면서 전체 이송관(140)의 길이가 변화될 수 있다.

도 5는 본 발명의 3차원 성형물 제조장치에 적용되는 이송관의 연결구조에 관한 실시 형태를 도시한 것이다. 도 5의 (가)를 참조하면, 상부의 제1단위 이송관이 하부의 제2단위 이송관 내부에 삽입되어 결합되어 있고, 제1단위 이송관의 아래쪽 끝 부분에 외측으로 제2걸림턱(142)이 형성되어 있으며, 제2단위 이송관의 위쪽 끝 부분에 내측으로 제1걸림턱(141)이 형성되어 있다. 도면에서는 제1걸림턱과 제2걸림턱이 각각 제2단위 이송관과 제1단위 이송관의 끝 부분에 형성된 것으로 도시하였지만, 제1걸림턱과 제2걸림턱이 서로 맞닿아 제1단위 이송관과 제2단위 이송관의 이탈이 방지될 수 있다면 제1걸림턱과 제2걸림턱은 단위 이송관의 길이 방향 어느 영역에 설치되어도 무방하다. 이와 같은 구현예에서는 압출부의 위치 변화에 따라 제1저장용기와 압출부의 거리가 변화되면 이송관의 길이가 이를 따라 조절되면서 성형재료 입자가 이송될 수 있고, 이송관은 길이방향으로의 조절이 휨 방향의 변형보다 용이하므로 길이가 조절되는 과정에서도 직선형태를 유지하기 쉽다. 도 5의 (나)를 참조하면, 제1걸림턱(141)과 제2걸림턱(142) 사이의 공간에 탄성부재(143)가 삽입되어 있다. 탄성부재(143)는 제1걸림턱(141)과 제2걸림턱(142)이 서로 밀리는 방향으로 설치되는 것이 바람직하다. 또한 외부에서 힘을 받지 않은 상태에서의 이송관의 길이는 제1저장용기와 압출부 사이의 최소 연결거리만큼의 길이보다 짧은 것이 바람직하다. 이와 같은 구성에서는 제1저장용기와 압출부를 연결하는 이송관이 직선 형태를 유지하는데 유리하기 때문이다. 도 5의 (다)를 참조하면, 탄성부재(143)는 탄성을 가지는 나선형의 스프링으로 이루어질 수 있다. 도면에는 도시하지 않았지만, 단위 이송관의 연결부위가 탄성을 가지면서 신장하기 위한 구성으로 고무줄이나 길이방향으로 설치된 스프링을 적용할 수도 있다. 이러한 구성에서는 단위 이송관이 다른 인접한 단위 이송관에 삽입되어 결합되고, 단위 이송관들의 외부에 고무줄 또는 스프링이 길이방향으로 설치될 수 있다. 이때, 연결된 단위 이송관들의 거리가 멀어질 경우 고무줄이나 스프링이 시장하면서 탄성력을 가지고, 이송관은 길이가 늘어나면서 탄성변형되게 된다. 도 5에 도시된 구조에서는 탄성부재가 수축하는 형태로 탄성변형이 일어나고, 고무줄을 이용한 구조에서는 탄성부재가 신장하는 형태로 탄성변형이 일어나지만, 이송관이 길이방향으로 늘어나면서 탄성변형되는 것은 동일하다. 단위 이송관의 외측에 고무줄이나 스프링이 설치된 구조에서는 고무줄이나 스프링의 결합을 위하여 단위 이송관의 외측에 연결부가 추가로 형성될 수 있다.

도 5의 (가)와 같은 실시 형태는 단위 이송관의 개수가 상대적으로 적은 경우에 유리하다. 단위 이송관의 개수가 적은 경우에는 단위 이송관의 수축되는 경우에도 휨 방향의 변형이 일어나기 어렵기 때문에 탄성부재가 없어도 이송관의 직선 형태를 유지하기 용이하고, 또한 단위 이송관들의 삽입 연결부위가 충분히 긴 경우에는 제2저장용기와 압출부의 거리가 최대가 되는 경우에도 단위 이송관들의 이탈이 발생되지 않을 수 있으므로 단위 이송관들에 걸림턱이 없어도 무방하다. 도 5의 (나)와 같은 실시형태는 단위 이송관의 개수가 상대적으로 많은 경우에 유리하다. 단위 이송관의 개수가 많은 경우에는 단위 이송관들의 연결부위 유격에 의하여 이송관이 휨 방향 변형이 일어날 수 있지만, 탄성부재가 설치된 경우에는 이송관의 수축 또는 시장되는 과정에서 이송관이 직선을 유지할 수 있도록 한다.

압출부의 위치가 변화되는 경우에 이송관이 직선의 형태를 유지하는 것은 성형재료 입자가 이송관을 막는 것을 효과적으로 방지한다. 만약 이송관의 어느 영역에서 이송관의 기울기가 완만해지면 중력에 의한 입자의 이송이 방해받을 수 있으므로, 이송관의 직선 형태를 유지하는 것은 입자의 원활한 이송과 막힘 방지를 위해 매우 중요하다.

도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 단위 이송관의 연결부위에 탄성부재가 설치된 이송관의 길이 변형과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, 압출부와 제1저장용기의 거리가 멀어지면 탄성부재(143)가 수축하면서 (가)에서 (나)와 같이 단위 이송관들의 연결부위 길이가 짧아지게 되고, 이송관의 전체 길이는 길어지게 된다.

도 7은 본 발명의 일 구현예에 따라 이송관과 저장용기 사이에 유연 연결부가 결합된 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 7을 참조하면, 제1저장용기(101)과 제1단위 이송관(140a) 사이에는 유연 연결부(144)가 설치될 수 있다. 유연 연결부(144)는 고무 튜브, 주름관, 회전이 가능한 축 구조를 가지는 관 등으로 이루어질 수 있고, 압출부가 위치이동하여 제1저장용기와 압출부의 수평위치가 변화되는 경우에 이송관이 이를 따라 기울기가 변화될 수 있도록 한다. 도 7의 (가)는 제1저장용기(101)의 수직한 아래쪽에 압출부가 위치하여 이송관이 수직으로 세워진 형태를 도시한 것이다. 도 7의 (나)는 압출부의 위치가 변화되면서 제1저장용기(101)와 압출부의 수평방향 위치가 변화된 경우를 도시한 것인데, 이때 유연 연결부(144)가 변형되면서 제1단위 이송관(140a)이 수직방향으로 기울어진 방향으로 누울 수 있게 된다. 도 5의 (다)와 같이 유연 연결부(144)는 소정의 길이는 가지는 탄성 튜브로 이루어질 수 있고, 제1저장용기와 유연 연결부 또는 유연 연결부와 제1단위 이송관의 연결은 접착제, 볼트, 연결 케이블 등과 같이 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 도면으로 나타내지는 않았지만, 압출부와 이송관 또는 제2저장용기와 이송관의 연결부위에도 유연 연결부가 설치될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 구현예에 따라 이송관에 결합된 진동 발생부를 나타낸 것이다. 도 8을 참조하면, 이송관(140)은 고분자 수지 입자가 이동할 수 있는 경로를 제공하며, x, y, z축 또는 x, y축 방향으로 이동할 수 있는 압출부와 연결되어 있으므로 압출부의 이동 범위에 맞게 길이가 변화된다. 이송관(140)을 통과하는 고분자 수지 입자는 이동에 저항을 받을 수 있다. 먼저, 펠렛 형태의 고분자 수지 입자의 크기가 작아지면 고분자 수지 입자 표면에 정전기가 발생할 수 있고, 이송관의 기울기가 완만해지면 고분자 수지 입자의 이동이 원활하지 않을 수 있다. 이를 해결하기 위하여, 이송관(140)을 통과하는 고분자 수지 입자의 이동을 원활하게 하기 위하여 진동을 가할 수 있다. 이송관(140)의 일부 표면을 둘러싼 연결부(122)가 있고, 연결부로부터 소정의 거리를 유지하며 진동 발원 장치인 진동 발생부(121)가 구비될 수 있다. 진동 발생부(121)와 연결부(122)는 연결되어 있어 진동 발생부(121)에서 발생한 진동이 연결부(122)로 전달될 수 있다. 따라서 이송관(140)이 흔들리면서 내부에 있는 고분자 수지 입자의 이동이 원활해질 수 있다. 제2저장용기(111)와 연결된 유연관(145)는 이송관(140)보다 더 유연한 소재나 구조로 이루어질 수 있다. 유연관은 이송관(140)에 전해지는 진동이 압출부의 제2저장용기(111)로 전달되어 압출부가 흔들리는 것을 방지할 수 있다. 유연관(145)은 이송관과 압출부를 연결하는 유연 연결부일 수 있다. 또한 이송관의 내부면에는 전도성층이 형성될 수 있다. 이송관을 따라 이동하는 고분자 수지 입자에서 정전기가 발생할 수 있는데, 이송관 표면에 전도성층을 형성하고 이를 접지시키면 정전기의 전하를 제거하여 고분자 수지 입자가 유연관 표면에 달라붙는 것을 방지할 수 있다.

도 9는 본 발명의 3차원 성형물 제조장치에 적용되는 성형재료 입자 이동 조절수단을 설명하기 위한 도면이다. 도 9를 참조하면, 제1저장용기(101)에 보관된 고분자 수지 입자는 이송관(140)을 통해 제2저장용기(111)로 이동될 수 있다. 제2저장용기(111) 내부에는 센서(116)가 구비될 수 있으며, 센서(116)를 통해 제2저장용기 내부에 있는 인쇄 재료의 양을 감지하여 제2저장용기(111)로의 고분자 수지 입자 투입량을 조절할 수 있다. 또한 압출부에 결합되어 압출부와 함께 이동하는 제2저장용기를 포함하지 않는 경우, 압출부 입구에 센서가 구비되어 인쇄 재료의 양을 감지할 수도 있다. 상기 센서는 광발생부와 광수광부로 이루어진 광센서로 이루어질 수 있고, 기타 다양한 방식이 적용될 수 있다. 고분자 수지 입자의 투입량 조절은 제1저장용기(101)와 이송관(140)이 만나는 지점에 설치된 밸브(120)로 이루어질 수 있다. 밸브(120)는 제1저장용기 또는 이송관(140)에 설치될 수도 있다. 상기의 구성에 의하여 제2저장용기 또는 압출부로 임시 저장되는 고분자 수지 입자의 양을 제어하여 압출부의 위치 제어에 필요한 물리적 로드를 줄일 수 있고, 센서 및 밸브에 의하여 제2저장용기로 임시 저장되는 고분자 수지의 양을 일정하게 유지하여 압출부 위치 제어의 정확도를 향상시킬 수도 있다.

도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 3차원 성형물 제조장치의 압출부를 나타낸 것이다. 도 10을 참조하면, 제2저장용기(111)로 투입된 고분자 수지 입자는 압출기(112)로 공급된다. 압출기 외부에는 히터(117)가 설치되어 고분자 수지 입자를 용융시킬 수 있다. 고분자 수지 입자는 압출기 내부에서 용융되어 노즐(119)을 통하여 외부로 토출되는데, 노즐(119) 방향에 연결된 토출제어부(114)에는 토출조절밸브(118)가 설치되어서 고분자 수지의 노즐을 온-오프 시키거나 이동통로의 면적을 제어하여 토출량을 조절할 수 있다. 토출제어부는 미리 입력된 정보에 따라 토출조절밸브를 작동시키는 콘트롤부를 포함할 수 있다. 이때 투입되는 고분자 수지 입자는 열가소성 고분자로, 예를 들어 PLA(polylactic acid), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), HDPE(high density polyethylene) 등이 쓰일 수 있고, 무기입자, 금속입자, 복합체 등의 입자가 함께 투입될 수도 있다. 고분자 수지 입자는 펠렛 형태로 이루어질 수 있고, 펠렛의 직경은 0.1 내지 50mm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 펠렛의 크기가 0.1mm 미만이면 펠렛을 다루는 과정에서 분말이 날리거나 정전기에 의하여 공급이 원활하지 않을 수 있고, 30mm를 초과하면 펠렛이 압출기를 통과하면서 충분히 용융되지 않을 수 있다. 펠렛의 직경은 더욱 바람직하게는 0.3 내지 20mm의 범위를 가진다. 또한 원기둥 형태의 펠렛인 경우에 펠렛의 길이는 직경의 0.5 내지 5배인 것이 바람직하다. 성형재료 입자가 구형인 경우에는 입자의 직경이 0.1 내지 50mm의 범위에 있는 것이 바람직하고, 0.3 내지 20mm인 것이 더 바람직하다. 펠렛의 용융을 위한 크기는 압출기의 스크류 직경과 관련되는데, 스크류 직경이 작을수록 압출기의 무게 및 부피를 감소시킬 수 있으므로, 상기에서 언급한 바람직한 펠렛의 크기를 고려하면 압출기의 스크류 직경은 1 내지 50mm의 범위에 있는 것이 바람직하고, 2 내지 20mm의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다. 스크류의 길이는 스크류 직경의 2 내지 30배인 것이 바람직하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현예를 이용하여 설명한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 3차원 성형물 제조장치
101: 제1저장용기 102: 제1저장용기 고정부
103: 제1이동축 104: 제2이동축
105: 압출기 연결부 106: 제조판 고정부
107: 하우징 108: 성형물 제조판
111: 제2저장용기 112: 압출기
113: 스크류 114: 토출제어부
115: 이동블록 116: 센서
117: 히터 118: 토출조절밸브
119: 노즐 120: 밸브
121: 진동 발생부 122: 연결부
130: 이송관 130a: 제1단위 이송관
130b: 제2단위 이송관 130c: 제3단위 이송관
130b1, 130c1: 상부 걸림턱
130a2, 130b2, 130c2: 하부 걸림턱
140: 이송관 140a: 제1단위 이송관
140b: 제2단위 이송관 140c: 제3단위 이송관
141: 제1걸림턱 142: 제2걸림턱
143: 탄성부재 144: 유연 연결부

Claims (5)

1. 성형재료 입자를 용융시키고, 용융된 성형재료 입자의 토출 위치를 제어하여 소정의 3차원 성형물을 제조하는 장치에 있어서,
   3차원 성형에 이용되는 고분자 수지 펠렛을 로딩하는 제1저장용기;
   압출기, 히터, 스크류 및 노즐을 포함하고, 고분자 수지 펠렛을 용융토출시켜 3차원 성형을 수행하는 압출부;
   상기 제1저장용기에 저장된 고분자 수지 펠렛을 상기 압출부로 이송시키는 통로를 제공하는 이송관;
   상기 압출부의 고분자 수지 펠렛 공급방향에 연결되어 상기 압출부로 공급되는 고분자 수지 펠렛을 임시 저장하고, 상기 이송관을 통하여 상기 제1저장용기에 연결되는 제2저장용기;
   상기 압출부의 위치를 x, y 축 방향 또는 x, y, z 축 방향으로 제어하는 압출부 위치 제어부; 및
   상기 압출부에서 용융토출되는 고분자 수지가 고정되는 성형물 제조판;을 포함하고,
   상기 제1저장용기는 상기 압출부의 위치 변화와 상관없이 위치가 고정되고, 상기 제2저장용기는 상기 압출부와 함께 위치 이동하며, 상기 제1저장용기는 제2저장용기보다 저장용량이 상대적으로 크고,
   상기 이송관은 복수개의 단위 이송관이 연결되어 이루어지고, 상기 복수개의 단위 이송관이 연결되어 이루어진 이송관은 단위 이송관 중 적어도 어느 하나가 다른 인접한 이송관의 내부에 삽입되어 연결되며, 상기 삽입되어 연결된 단위 이송관들의 연결부위 길이가 조절되고,
   상기 이송관은 직선의 형태를 유지하면서 길이가 조절되고,
   상기 단위 이송관들의 연결부위에 걸림턱이 형성되어서 단위 이송관들이 서로 이탈되는 것을 방지하고,
   상기 단위 이송관들은 상기 제1저장용기에 가까운 이송관의 직경이 상기 제2저장용기에 가까운 이송관의 직경보다 작고,
   상기 제1저장용기와 이송관 사이 또는 상기 제2저장용기와 이송관 사이에 유연한 연결부가 형성되고, 상기 압출부의 스크류 직경은 1 내지 50mm인 것을 특징으로 하는 3차원 성형물 제조장치.
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