KR102295482B1

KR102295482B1 - 삼차원 프린터

Info

Publication number: KR102295482B1
Application number: KR1020167025180A
Authority: KR
Inventors: 세이이치 유야마
Original assignee: 세이이치 유야마
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: PL3112133T3; US10583604B2; EP3112133A1; EP3636435A1; JPWO2015129733A1; JP5920859B2; EP3112133A4; ES2821422T3; US20170008230A1; CN106029345A; EP3636435B1; PL3636435T3; WO2015129733A1; KR20160125996A; EP3112133B1; ES2907750T3

Abstract

각종 재질의 펠릿을 사용할 수 있고, 불활성가스를 필요로 하지 않고, 대형의 조형물을 제조하는 것이 가능한 삼차원 프린터를 제공한다. 실린더의 하단측에 노즐이 설치되고, 당해 실린더의 내부에 스크류가 배치되어 있고, 스크류의 선단측에 기어펌프가 배치되고, 실린더의 내부를 가열하기 위한 히터 및, 당해 실린더 내부에 수지재료를 공급하기 위한 호퍼가 설치된 압출장치와, 상기 압출장치의 노즐에 대향해서 위치하는 테이블 장치와, 상기 압출장치에 있어서의 노즐로부터의 수지의 토출을 제어하며, 또, 압출장치 및/또는 테이블 장치의, 기준면에 대한 X축, Y축, Z축 방향으로의 이동을 제어하는 제어장치를 구비하고, 압출장치 및/또는 테이블 장치가 제어장치에 의해 X축, Y축, Z축 방향으로 위치 제어되어 이동하는 구조를 갖는다.

Description

삼차원 프린터{3D PRINTER}

본 발명은 삼차원 프린터, 특히 열용융 적층법에 의해 삼차원 조형물을 제조하는 삼차원 프린터(3D프린터)의 재료 압출부의 구조에 관한 것이다.

지금까지, 용융 적층 조형법에 의해 삼차원 조형물을 제조하는 방법으로서는 예를 들면 하기의 특허문헌 1에, 미소한 시린지와 이것에 대향하는 조형용 스테이지의 이동을 삼차원 구조물의 형상 데이터에 의거해서 제어하면서, 시린지 노즐로부터 생분해성 수지의 세선상(細線狀)의 열용융물을 토출시키는 공정을 반복해서, 미소한 의료용 삼차원 구조물을 형성하는 제조방법이 개시되어 있다.

또, 하기의 특허문헌 2에는, 필라멘트상 재료가 불필요한 삼차원 구조체의 형성방법으로서 기체 가압 디스펜서를 사용해서, 가열 융해된 융해 고분자재료가 노즐로부터 압출되고, 이 때의 노즐 토출 위치를 제어하는 방법이 개시되어 있다.

그렇지만, 특허문헌 1에 기재된 방법의 경우에는 시린지 내에 수용되는 수지의 체적이 작기 때문에, 큰 조형물을 제조할 수 없다는 문제점이 있으며, 또, 특허문헌 2에 기재된 방법의 경우에는, 열분해에 의한 산화물의 생성을 억제하기 위해서, 고분자재료에 대해서 불활성의 가스로서 질소나 이산화탄소를 준비할 필요가 있고, 게다가, 용융 수지의 압출이 기체 가압에 의해 이루어지기 때문에 수지의 토출을 제어하는 것이 어렵고, 노즐 선단으로부터의 수지 드립(resin drip)이 발생하기 쉽다는 문제점이 있었다.

또, 최근 널리 사용되게 된 삼차원 프린터에 의한 삼차원 조형물의 제조에 있어서는, 적층하는 재료로서 필라멘트상으로 제공되는 PLA(폴리락트산)이나 ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌)의 필라멘트가 사용되고, 이 필라멘트를 배출모터로 가압하고, 가열된 블록을 경유하고, 노즐의 선단으로부터 토출해서 조형물을 형성하고 있다. 그러나, 이러한 필라멘트를 사용하는 종래의 삼차원 프린터의 경우에는, 필라멘트의 배출속도의 제어가 용이하지 않고, 필라멘트의 막힘이 발생하기 쉽고, 노즐이 막히는 것에 의해서 성형공정이 멈추게 된다는 문제점이나, 필라멘트에 적합한 재질이 한정되어, 시판되고 있는 여러 재질의 펠릿(입상재료)을 사용할 수 없다는 문제점이 있었다.

일본 공개특허공보 제2010-99494호 일본 공개특허공보 제2008-194968호

본 발명은 상기한 종래 기술에 있어서의 문제점을 해결하고, 각종 재질의 펠릿을 사용할 수 있고, 불활성 가스를 필요로 하지 않고, 대형의 조형물을 제조하는 것이 가능한 삼차원 프린터를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자는 여러 가지로 검토를 실시한 결과, 삼차원 프린터에 있어서의 용융 수지 압출부를, 실린더 내부에 스크류가 배치된 소형의 압출기(압출장치)로 하고, 이 압출기에, 입상의 수지재료를 공급 가능한 호퍼를 장착하고, 스크류 모터에 의해서 스크류의 회전을 제어하다 동시에, 스크류의 선단측에 설치한 기어펌프를 기어펌프 모터에 의해 제어함으로써, 노즐 선단으로부터 토출되는 용융 수지의 양을 조절 가능하고, 노즐 선단으로부터의 수지 드립을 방지할 수도 있고, 재질이 한정된 필라멘트를 사용하지 않아도 시판하고 있는 폭넓은 재질의 펠릿을 사용하는 것이 가능해서, 대형의 조형물의 제조에도 적합하다는 것을 발견하고, 본 발명을 완성했다.

상기의 과제를 해결 가능한 본 발명의 삼차원 프린터는,

실린더의 하단측에 노즐이 설치되고, 당해 실린더의 내부에, 스크류 모터에 의해 회전이 제어되는 스크류가 배치되고 있으며, 상기 스크류의 선단측에는 기어펌프 모터에 의해 회전이 제어되는 기어펌프가 배치되고, 상기 실린더의 내부를 가열하기 위한 히터 및, 당해 실린더 내부에 수지재료를 공급하기 위한 호퍼가 설치된 압출장치와,

상기 압출장치의 노즐에 대향해서 위치하는 테이블 장치와,

상기 압출장치에 있어서의 상기 노즐로부터의 수지의 토출을 제어하며, 또, 상기 압출장치 및/또는 상기 테이블 장치의, 기준면에 대한 X축, Y축, Z축 방향으로의 이동을 제어하는 제어장치를 구비하고, 상기 압출장치 및/또는 상기 테이블 장치가 상기 제어장치에 의해 X축, Y축, Z축 방향으로 위치 제어되어 이동하는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 상기의 특징을 가진 삼차원 프린터에 있어서, 상기 스크류의 선단측에, 당해 스크류의 선단위치에 있어서의 수지 압력을 측정하기 위한 제1 압력계가 설치되어 있고, 상기 기어펌프의 토출측에, 노즐 내부의 수지 압력을 측정하기 위한 제2 압력계가 설치되어 있고, 상기 제1 및 제2 압력계에서 측정된 수지 압력에 의거해서 상기 노즐로부터의 수지의 토출이 상기 제어장치에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 것이기도 하다.

또, 본 발명은 상기 특징을 가진 삼차원 프린터에 있어서, 상기 노즐에, 상기 노즐 내부의 압력을 제어하기 위한 압력 제어장치가 설치되어 있고, 상기 노즐의 내부공간의 용적이 상기 압력 제어장치에 의해 변화 가능한 것을 특징으로 하는 것으로, 이러한 압력 제어장치가 설치된 삼차원 프린터의 경우에는 점도를 가지는 수지의 노즐 선단에 있어서의 제어 응답이 빨라지고, 순식간에 노즐 내부의 압력을 감압 또는 가압할 수 있다.

또, 본 발명은 상기 특징을 가진 삼차원 프린터에 있어서, 상기 압력 제어장치가 상기 노즐의 축 방향에 대해서 수직방향으로 전후 동작 가능한 피스톤 부재를 포함하고, 당해 피스톤 부재의 이동이 상기 압력 제어장치에 의해 제어되는 것에 의해 상기 노즐의 내부공간의 용적이 변화되는 것을 특징으로 하는 것이기도 하다.

또 본 발명은 상기의 특징을 가진 삼차원 프린터에 있어서, 상기 압출장치가 상기 제어장치에 의해 X축 및 Y축 방향으로의 이동이 제어되는 XY 위치 결정장치에 장착되어 있고, 상기 테이블 장치가 상기 제어장치에 의해 Z축 방향으로의 이동이 제어되는 Z 테이블 장치인 것을 특징으로 하는 것이기도 하다.

본 발명에 의하면, 스크류의 선단측에 배치된 기어펌프에 의해서, 노즐로부터의 수지의 토출이 제어되고, 토출량을 정확하게 컨트롤할 수 있고, 수지를 적층하는 것에 의해서 집이나 배 등의 큰 조형물을 만들 수 있다. 또, 본 발명의 삼차원 프린터의 경우에는 필라멘트상 재료를 사용할 필요가 없고, 시판하고 있는 각종 수지 펠릿을 사용할 수 있어, 재질을 묻지 않으므로 용융 적층의 삼차원 프린터의 용도도 넓어진다.

도 1은 본 발명의 삼차원 프린터이 1예를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 삼차원 프린터에 있어서의 압출장치(A)(재료 압출부)의 내부구조의 1예를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2와는 다른 구조를 가진 본 발명의 삼차원 프린터에 있어서의 압출장치(A)(재료 압출부)의 내부구조를 나타내는 단면도이다.

도 1에 나타내 바와 같이, 본 발명의 삼차원 프린터는, 펠릿을 가열 용융해서 용융 수지를 노즐의 선단측에 이송하고, 노즐 선단으로부터 토출되는 용융 수지의 양을 제어하기 위한 기구를 가진 압출장치(A)와, 압출장치(A)의 노즐에 대향해서 위치하는 테이블 장치(B)와, 압출장치(A)의 노즐로부터 토출되는 용융 수지의 양을 제어하며, 또한, 압출장치(A) 및/또는 테이블 장치(B)의, 기준면에 대한 X축, Y축, Z축으로 3방향으로의 이동을 제어하는 제어장치(C)를 구비한다.

이때, 본 발명에서는 압출장치(A)와 테이블 장치(B)의 어느 한쪽이, 기준면에 대해서 X축, Y축, Z축 방향으로 위치 제어되어 이동하고, 다른 쪽의 장치 위치가 고정된 구조일 수도 있지만, 도 1에 나타내는 바와 같이, 압출장치(A)가 기준면에 대해서 X축 및 Y축 방향으로 위치 제어되어 이동하고, 테이블 장치(B)가 기준면에 대해서 Z축 방향으로 위치 제어되어 이동하는 구조일 수도 있다. 도 1에 나타나는 구성을 가지는 본 발명의 삼차원 프린터는 상기의 압출장치(A)를 시판하고 있는 XY 위치결정장치에 장착해서, 제어장치(C)에 의해 위치제어 가능으로 하고, 압출장치(A)의 노즐에 대향하는 위치에 시판하고 있는 Z 테이블 장치를 배치하고, 제어장치(C)에 의해서 위치제어 가능하게 하는 것에 의해 제조할 수 있다.

도 2는 본 발명의 삼차원 프린터에 있어서의 압출장치(A)의 내부구조를 나타내는 단면도이고, 압출장치(A)는 테이블 장치에 대해서 수직으로 배치되는 실린더(1)의 하단측에 노즐(2)을 가지고, 실린더(1)의 내부에는 스크류 모터(3)에 의해 회전이 제어되고, 펠릿을 용융해서 노즐측에 공급하기 위한 스크류(4)가 배치되어 있다. 그리고 스크류(4)의 선단측에는 기어펌프(6)가 배치되어 있고, 실린더(1)의 주벽면에는 실린더 내부를 가열하기 위한 히터(7)가 설치되어 있고, 실린더(1)의 상방측에는 실린더 내부에 수지재료를 공급하기 위한 호퍼(8)가 설치되어 있다.

또, 도 1에 예시한 압출장치(A)에 있어서, 부호 (11)은 노즐부에서의 용융 수지의 온도를 일정하게 유지하기 위한 노즐 히터이고, 부호 (12)는 기어펌프부에서의 용융 수지의 온도를 일정하게 유지하기 위한 기어펌프 히터이다.

상기의 구조를 가진 압출장치(A)에는 도 2에 나타내는 바와 같이, 스크류(4)의 선단측에, 당해 스크류의 선단위치에 있어서의 수지 압력을 측정하기 위한 제1 압력계(9)가 설치되고, 더구나 기어펌프(6)의 토출측에, 노즐 내부에 있어서의 수지 압력을 측정하기 위한 제2 압력계(10)가 설치되어 있는 것이 바람직하고, 이 경우에는, 제1 압력계(9) 및 제2 압력계(10)에서 측정된 압력의 값에 의거해서 제어장치(C)가 노즐 선단으로부터 용융 수지가 안정되게 토출하도록 압출장치(A)의 스크류 모터(3), 기어펌프 모터(5), 히터(실린더 히터)(7), 노즐 히터(11), 기어펌프 히터(12)를 각각 제어하도록 구성된다.

본 발명에서는 압출장치(A)의 호퍼(8) 내로 수용된 펠릿이 연속적으로 실린더(1) 내로 공급되고, 회전하는 스크류(4)에 의해서 가열된 실린더(1)의 내부를 노즐(2)측으로 이동하면서 용융ㆍ혼련되고, 스크류(4)의 선단측에 배치된 기어펌프(6)에 공급된다. 그리고 이 기어펌프(6)는 기어펌프 모터(5)에 의해서 기어의 회전이 제어되고, 노즐의 선단으로부터 용융 수지가 정량으로 토출되도록 되어 있고, 용융 수지가 기어펌프(6)에 의해서 송출되는 구조이기 때문에 노즐의 막힘이 발생하기 어렵다. 이러한 기어펌프(6)로서는 압출 성형기용의 시판품을 사용할 수 있다.

또, 본 발명에서는 용융 수지의 토출을 중지할 때, 스크류(4)와 기어펌프(6)를 일정량 역회전시키고 노즐 내부의 압력을 개방함으로써, 노즐(2)의 선단으로부터 수지 드립이 발생하는 것을 유효하게 방지할 수 있다. 또, 수지 드립이 현저한 점도가 낮은 재료를 사용하는 경우, 도 3에 나타내는 바와 같은, 압력 제어장치(13)를 노즐(2)에 설치하는 것에 의해서 노즐의 내부공간의 용적을 순식간에 증가시키는 것에 의해 노즐 내부의 압력을 개방함으로써 점도가 낮은 수지 드립도 유효하게 방지할 수 있다.

이 압력 제어장치(13)로서는 그 내부에 피스톤 부재(14)(도 3에서 점선으로 나타내고 있다)가 설치된 것이 바람직하고, 이 피스톤 부재(14)는 압력 제어장치(13)에 의해서 위치 제어되어 1축 방향(노즐의 축 방향에 대해서 수직방향)으로 전후 동작할 수 있도록 되어 있고, 평상시에는 피스톤 부재(14)의 노즐측의 선단면이 노즐의 내부벽면과 일치한 위치(도 3 참조)에 있지만, 노즐 내부의 압력을 감압할 때는 피스톤 부재(14)가 노즐 내부공간의 용적증가 방향(도 3의 우측방향)으로 이동한다. 반대로, 노즐 내부의 압력을 증압할 때는 피스톤 부재(14)가 노즐 내부측의 방향(도 3의 좌측방향)으로 밀리고, 노즐 내부공간의 용적은 감소한다. 이 피스톤 부재(14)를 구동하는 액추에이터(actuator)는 공기 압력일 수도, 전동일 수도 있지만, 노즐 내 용적을 정확하게 제어하기 위해서는 전동 액추에이터가 바람직하다.

본 발명의 삼차원 프린터를 사용해서 조형물을 제조하는데 사용되는 펠릿상의 수지재료는 특히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 폴리프로필렌 수지(PP), 폴리에틸렌 수지(PE), 폴리아세탈 수지(POM), 폴리염화비닐 수지(PVC), 폴리아미드 수지(PA), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌수지(ABS), 폴리락트산 수지(PLA), 폴리페닐렌설파이드 수지(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 등의 시판하고 있는 펠릿을 사용할 수 있다.

본 발명의 삼차원 프린터에 있어서의 압출장치(A)의 크기(호퍼의 용량, 스크류 길이, 스크류 직경, 기어펌프의 단위 토출량, 노즐 직경 등)는 제조하는 조형물의 크기에 따라서 적당하게 선택되며, 특별하게 한정되지 않는다.

실시예

[본 발명의 삼차원 프린터의 제조예 1]

Z축 테이블 장치로서는 알루미늄제의 카트리지 히터와 열전대를 내장하고, 온도제어 가능하고, 볼 나사(THK CO., LTD.) φ20 리드 5에 의해 테이블이 승강 가능한 구조의 것을 제작했다. 이때, 테이블 사이즈는 1000제곱mm로 하고, 또, 승강범위는 1000mm으로 했다. 한편, 압출장치를 장착하기 위한 XY 모션유닛을 리니어 가이드(THK CO., LTD.)와 볼나사(THK CO., LTD.)에 의해 조립해서, X축-Y축 방향으로의 이동거리는 1000제곱mm로 했다. 이때, XYZ축 방향으로의 압출장치의 이동을 실시하기 위한 구동 모터로서는 모두 YASUKAWA ELECTRIC CORPORATION.의 서보모터를 사용하고, Z축 방향만 브레이크가 있는 사양으로 했다. 그리고 상기 구동 모터가 제어장치에 의해 제어됨으로써, 압출장치의 XYZ축 상에 있어서의 위치가 제어되도록 했다.

압출장치로서는 φ20mm의 스크류 L/D20, 토출량 5kg/h (100rpm시)을 내장하고, 하단부에 노즐이 설치되고, 상부측에 호퍼가 설치된 실린더를 사용하고, 스크류의 구동에는 기어드의 브러스리스 모터를 사용했다. 실린더부 가열용 실린더 히터로서는, 500W의 밴드히터를 2기 사용했다. 또, 기어펌프로서는 모듈피치 1 톱니 수 20의 기어펌프를 사용하고, 기어펌프의 구동에는 기어드의 스테핑 전동기를 사용했다. 노즐 구멍의 직경은 1.0mm 로 하고, 수지 압력을 측정하기 위한 제1 및 제2 압력계에는 정격 20MPa의 RIKA KOGYO CO., LTD.의 압력계를 사용했다. 그리고 이 압출장치를 상기 XY 모션유닛에 장착하고, 상기 제어장치에 의해 노즐로부터의 수지의 토출이 제어되도록 하고, 도 2에 나타내는 내부구조를 가진 본 발명의 삼차원 프린터를 제조했다.

[본 발명의 삼차원 프린터를 사용한 조형물의 제작예 1]

펠릿 재료로 ABS(Toray Industries, Inc.의 TOYOLAC GRADE 600, 입경 3mm)를 준비하고, 이 펠릿 재료를 소형의 오토로더에 의해 호퍼에 공급했다.

상기에서 제작한 본 발명의 삼차원 프린터를 사용해서 상기 펠릿 재료를 압출할 때의 실린더 온도는 230℃로 하고, 기어펌프 및 노즐 온도는 240℃로 했다.

조형물은 인체의 상반신 부분을 모방한 등신대 모델로 하고, 이것을 제작하기 위한 데이터를 제어장치에 입력했다. 본 발명의 삼차원 프린터를 사용해서 당해 조형물을 제작할 때는, 제어장치에 의해, 수지토출 시의 제1 압력계(도 2의 부호(9))의 값이 2MPa를 지시하도록 제어하며, 또, 수지 드립방지의 동작을 할 때는 제2 압력계(도 2의 부호(10))의 값이 0.2MPa 이하가 되도록, 스크류 및 기어펌프를 역회전 제어했다.

용융 수지의 적층 피치는 0.8mm로 하고, 조형 스피드는 최초의 레이어만 40mm/s로 성형하고, 2층째 이후는 120mm/s로 성형이 이루어지도록 설정했다.

상기의 조건으로 실온 23℃, 습도 40%의 환경하에서, 삼차원 프린터를 사용한 조형물의 제작을 개시한바, 조형시간 110시간에, 인체의 상반신 부분을 모방한 등신대 모델을 고정밀도로 조형할 수 있었다.

[본 발명의 삼차원 프린터의 제조예 2]

Z축 테이블 장치로서는 표면을 블라스트 처리한 알루미늄제의 카트리지 히터(총용량 5kw)와 열전대를 내장하고, 온도 조정기(OMRON Corporation.)로 PID 제어 가능하고, 구동을 위한 볼나사(THK CO., LTD.) φ25mm 리드 5mm를 2개 사용해서 타이밍 풀리와 타이밍벨트로 동기하도록 접속했다. 슬라이딩에는 Linear Bush(THK CO., LTD.)와 Linear Shaft φ30mm을 4개 사용해서 테이블이 승강 가능한 구조를 제작했다. 이때, 테이블 사이즈는 X방향 1200mm, Y방향 1200mm 로 하고, 또, Z축 방향 승강범위는 1000mm로 했다. 한편, 압출장치를 장착하기 위한 XY 갠트리 유닛을, 리니어 가이드(THK CO., LTD.)와 여압이 있는 볼나사(THK CO., LTD.) φ20mm 리드 10mm에 의해 조립해서, X축 방향의 이동거리 1000mm, Y축 방향의 이동거리 1000mm로 했다. 이때, XYZ축 방향으로의 압출장치의 이동을 실시하기 위한 구동 모터로서는 모두 Mitsubishi Electric Corporation.의 서보모터(1kw)를 사용하고, Z축 방향만 브레이크가 있는 사양으로 했다.

서보모터의 드라이브앰프 분해능을 1만 펄스/회전으로 설정하고, 이론 최소 분해능을 Z축은 1펄스당 0.5 마이크로미터, XY축은 1펄스당 1마이크로미터로 했다. 그리고 상기 서보모터 드라이브 앰프가 제어장치에 의해 제어됨으로써, 압출장치의 XYZ축 상에 있어서의 위치가 제어되도록 했다.

압출장치로서는 φ20mm의 풀플라이트 스크류 L/D20을 내장하고, 하단부에 노즐이 설치되고, 상부측에 호퍼가 설치된 실린더를 사용하고, 스크류의 구동에는 감속기를 구비한 브러시리스 모터를 사용했다. 실린더부 가열용 실린더 히터로서는 500w의 밴드히터를 2기 사용하고, 호퍼측과 기어펌프측의 2존으로 나누고, 열전대와 온도조정기로 제어 가능으로 했다. 또, 기어펌프로서는 기어와 하우징 모두에 고속도강제의 모듈피치 1 톱니 수 20의 기어펌프를 사용하고, 기어펌프의 구동에는 1/5 감속기를 구비한 스테핑 전동기를 사용했다. 스테핑 전동기 드라이버의 마이크로스텝 설정을 1/16으로 설정하고, 1펄스당 0.03도 이하의 인덱싱 각도로 토출량을 제어할 수 있도록 했다. 노즐 구멍의 직경은 1.0mm 로 하고, 수지 압력을 측정하기 위한 제1 및 제2 압력계에는 정격 20MPa의 압력계(RIKA KOGYO CO., LTD.)를 사용했다. 기어펌프에는 300W의 히터, 노즐에는 150W의 히터를 사용하고, 각각 열전대와 온도조정기로 제어 가능으로 했다.

그리고 이 압출장치를 상기 XY 갠트리 유닛에 장착하고, 상기 제어장치에 의해 노즐로부터의 수지의 토출이 제어되도록 하고, 도 3에 나타내는 내부구조를 가진 본 발명의 삼차원 프린터를 제조했다.

[본 발명의 삼차원 프린터를 사용한 조형물의 제작예 2]

펠릿 재료로 폴리락트산(NatureWorks Ingeo, 입경 약 3mm)을 준비하고, 이 펠릿 재료를 소형의 오토 로더에 의해 호퍼에 공급했다.

상기에서 제작한 본 발명의 삼차원 프린터를 사용해서 상기 펠릿 재료를 압출할 때의 실린더 온도는 220℃로 하고, 기어펌프 및 노즐 온도는 215℃로 했다.

Z축 좌표 제로의 노즐 선단과 Z축 테이블 장치의 거리가 XY축 가동 범위 1000제곱mm의 전역에서 0.2mm에서 0.4mm의 범위에 들어가도록 테이블을 조정했다.

조형물은 인체의 상반신 부분을 모방한 등신대 모델로 하고, 이것을 제작하기 위한 데이터를 제어장치에 입력했다. 본 발명의 삼차원 프린터를 사용하고, 당해 조형물을 제작할 때는, 제어장치에 의해, 수지 토출시의 제1 압력계(도 3의 부호(9))의 값이 2MPa를 지시하도록 제어했다. 조형 중에 노즐(도 3의 부호(2))부터의 토출을 중지하고, 수지 드립방지의 동작을 할 때는 스크류(도 3의 부호(4))의 스피드는 180rpm, 회전각 360도로 역회전, 또한 기어펌프(도 3의 부호(6)의 스피드는 120rpm, 회전각 180도로 역회전, 또한 수지 압력 제어장치(도 3의 부호(13))의 축 이동 스피드 300mm/초로 감압 방향으로 10mm 이동하도록 제어했다. 또, 노즐로부터의 토출을 재개할 때는 스크류(도 3의 부호(4))의 스피드는 180rpm, 회전각 360도로 정회전, 또한 기어펌프(도 3의 부호(6))의 스피드는 120rpm, 회전각 180로로 정회전, 또한 수지 압력 제어장치(도 3의 부호(13))의 내부에 설치된 피스톤 부재(도 3의 부호(14))의 축 이동 스피드 300mm/초로 증압 방향으로 10mm 이동하도록 제어했다.

용융 수지의 적층 피치는 0.6mm 로 하고, 조형 스피드는 최초의 레이어만 40mm/초로 조형하고, 2층째 이후의 내부 충전은 120mm/초로, 층의 외주부는 60mm/초로 조형이 이루어지도록 설정했다. 내부충전율은 10%로 했다.

상기의 조건으로 실온 23℃, 습도 40%의 환경하에서, 삼차원 프린터를 사용한 조형물의 제작을 개시한 바, 조형 시간 135시간에 인체의 상반신 부분을 모방한 등신대 모델을 수지 드립에 의한 실끌림 없이 고정밀도도 조형할 수 있었다.

(산업상의 이용가능성)

본 발명의 삼차원 프린터의 경우, 노즐의 막힘이 발생하기 어렵고, 또, 수지 재료로서 시판하고 있는 각종 수지 펠릿을 사용할 수 있으므로, 여러 재질로 이루어지는 조형물을 제조할 수 있고, 대형의 조형물을 제조하는 것에도 호적하다.

A: 압출장치
B: 테이블 장치
C: 제어장치
1: 실린더
2: 노즐
3: 스크류 모터
4: 스크류
5: 기어펌프 모터
6: 기어펌프
7: 히터(실린더 히터)
8: 호퍼
9: 제1 압력계
10: 제2 압력계
11: 노즐 히터
12: 기어펌프 히터
13: 압력 제어장치
14: 피스톤 부재

Claims

삼차원 프린터로서,
내부에 수지재료를 수용하고, 내부의 상기 수지재료를 가열 용융하는 실린더 히터를 포함하는 실린더;상기 실린더 내부에 배치되는 스크류; 상기 스크류를 회전시키는 스크류 모터; 상기 스크류의 선단측에 배치되고, 기어펌프 히터를 구비하는 기어펌프; 상기 기어펌프를 회전시키는 기어펌프 모터; 및 노즐 히터를 구비하는 노즐;을 포함하는 압출장치; 및
상기 스크류의 회전 및 상기 기어펌프의 회전을 제어하는 것에 의해 상기 압출장치의 상기 노즐의 선단으로부터 토출되는 용융 수지의 양을 조절하는 제어장치;를 포함하고,
조형되는 동안 상기 용융 수지의 토출이 중지될 때 상기 노즐의 선단으로부터 용융 수지가 떨어지는 것을 방지하도록 상기 제어장치는 상기 스크류 및 상기 기어펌프를 기설정된 양으로 역회전시키는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
제 1 항에 있어서,
상기 삼차원 프린터는,
상기 스크류의 선단측에 구비되고, 상기 스크류의 선단위치에 있어서의 수지 압력을 측정하는 제1 압력계;
상기 기어펌프의 토출측에 구비되고, 상기 노즐 내부의 수지 압력을 측정하는 제2 압력계;를 더 포함하고,
상기 제어장치는,
상기 제1 압력계 및 상기 제2 압력계 각각에서 측정된 제1 수지 압력 및 제2 수지 압력에 의거해서 상기 노즐로부터의 수지의 토출을 제어하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
제 1 항에 있어서,
상기 삼차원 프린터는,
상기 노즐 내부에 설치되고, 상기 노즐의 내부공간의 용적을 변화함으로써 상기 노즐 내부의 압력을 제어하는 압력 제어장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
제 3 항에 있어서,
상기 압력 제어장치가 상기 노즐의 축 방향에 대해서 수직방향으로 전후 동작 가능한 피스톤 부재를 포함하고, 상기 피스톤 부재의 이동이 상기 압력 제어장치에 의해 제어되는 것에 의해 상기 노즐의 내부공간의 용적이 변화되는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 삼차원 프린터는,
상기 압출장치의 노즐에 대향해서 위치하는 테이블 장치; 및
상기 압출장치가 장착되어 X축 및 Y축 방향으로 이동 가능한 XY 위치 결정장치;를 더 포함하고,
상기 제어장치는 상기 XY 위치 결정장치의 이동 및 상기 테이블 장치의 이동을 Z축 방향으로 위치 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 삼차원 프린터는,
상기 압출장치가 장착되어 X축 및 Y축 방향으로 이동 가능한 위치 결정장치;를 더 포함하고,
상기 제어장치는 상기 위치 결정장치의 이동을 위치 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
제 1 항에 있어서,
상기 기어펌프 히터, 상기 노즐 히터, 및 상기 실린더 히터는,
상기 기어펌프 히터 및 상기 노즐 히터에 기설정된 가열 온도가 상기 실린더 히터에 기설정된 가열 온도보다 높게 구성되는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
제 1 항에 있어서,
상기 삼차원 프린터는,
상기 노즐 내부에 설치되는 피스톤을 포함하고, 상기 용융 수지의 토출이 중지될 때 상기 노즐의 내부공간의 용적을 증가시키기 위해 상기 피스톤을 구동시키는 압력 제어장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
실린더 히터를 구비하는 실린더, 상기 실린더 내부에 배치되는 스크류, 상기 스크류를 회전시키는 스크류 모터, 상기 스크류의 선단측에 배치되고 기어펌프 히터를 구비하는 기어펌프, 상기 기어펌프를 회전시키는 기어펌프 모터, 및 노즐 히터를 구비하는 노즐을 포함하는 압출장치;를 구비하는 삼차원 프린터를 작동하는 방법으로서,
상기 삼차원 프린터를 작동하는 방법은,
상기 실린더로 수지재료를 공급하는 단계;
상기 실린더 내부의 상기 수지재료를 용융 하기 위해 상기 실린더를 가열하는 단계;
용융 수지를 상기 노즐측으로 이동시키기 위해 상기 스크류를 회전하는 단계;
상기 노즐을 통해 상기 용융 수지를 제어가능하게 토출시키기 위해 상기 기어펌프를 회전하는 단계;
상기 용융 수지를 토출하는 동안 상기 기어펌프 및 상기 노즐을 가열하는 단계;
상기 스크류의 상기 회전 및 상기 기어펌프의 상기 회전을 제어함으로써, 상기 노즐의 선단으로부터 토출되는 상기 용융 수지의 양을 조절하는 단계; 및
조형되는 동안 상기 용융 수지의 토출이 중지될 때 상기 노즐의 선단으로부터 용융 수지가 떨어지는 것을 방지하도록 상기 스크류 및 상기 기어펌프를 기설정된 양으로 역회전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터를 작동하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 수지재료는 펠릿의 형태로 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터를 작동하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 삼차원 프린터를 작동하는 방법은,
상기 스크류의 선단측에서 제1 수지 압력을 측정하는 단계;
상기 기어펌프의 토출측에서 상기 노즐 내부의 제2 수지 압력을 측정하는 단계; 및
상기 제1 수지 압력 및 상기 제2 수지 압력에 의거해서 상기 노즐로부터의 수지의 토출을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터를 작동하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 삼차원 프린터를 작동하는 방법은,
상기 노즐의 내부공간의 용적을 변화함으로써 상기 노즐 내부의 압력을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터를 작동하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 삼차원 프린터를 작동하는 방법은,
상기 노즐 내부에 피스톤을 제공하는 단계; 및
상기 용융 수지의 토출이 중지될 때, 상기 노즐의 상기 내부공간의 상기 용적이 증가되도록 상기 피스톤을 작동시켜, 상기 용융 수지의 드립을 방지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터를 작동하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 노즐 내부의 압력을 제어하는 단계는,
상기 노즐 내부에 피스톤 부재를 제공하는 단계; 및
상기 노즐의 내부공간의 용적을 변화시키기 위해 상기 피스톤 부재를 상기 노즐의 축 방향에 대해서 수직방향으로 전후 동작하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터를 작동하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 삼차원 프린터를 작동하는 방법은,
상기 압출장치의 위치를 X축, Y축, 및 Z축 방향으로 위치 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터를 작동하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 기어펌프 및 상기 노즐에 기설정된 가열 온도가 상기 실린더에 기설정된 가열 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터를 작동하는 방법.