KR101760832B1 - 아크 용접방식을 갖는 3d 프린터의 냉각 시스템 - Google Patents

아크 용접방식을 갖는 3d 프린터의 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에서 냉각 효율을 높이고 냉각제의 사용을 최소화할 수 있는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 냉각 시스템을 개시한다.
본 발명에 따른 냉각 시스템은, 아크 용접방식을 이용하여 조형물을 제작하는 3D 프린터의 냉각 시스템에 있어서, 아크용접 방식의 3D 프린터는 상용전원을 아크용접에 사용되는 정격 직류 고전압으로 변환하는 컨버터; 3D 모델링을 위한 레이어별 궤적 및 적층 제어, 금속 프린팅을 위한 원료공급 제어를 수행하고, 상기 레이어별 궤적을 설정된 시간차 동안 연장하며, 상기 레이어별 궤적과 설정된 시간차 동안의 지연시간을 갖고 냉각제를 공급제어하는 제어부; 상기 제어부의 레이어별 궤적 및 적층 제어에 응답하여 노즐부의 위치를 3차원으로 이송제어하는 모델링 구동부; 상기 제어부의 레이어별 궤적에 대응하여 금속 원료를 공급 제어하는 원료공급 구동부; 및 상기 제어부의 냉각제 공급제어에 응답하여 적재된 냉각제를 제공하는 냉각제 공급수단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 접봉의 적층 레이어별 궤적을 따라 시간차를 갖고 냉각을 수행함으로써, 조형 과정에서의 냉각 온도를 균일하게 유지하여 조형물 제작의 안정성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 냉각 시스템{COOLING SYSTEM FOR 3D PRINTER USING ARC WELDING}
본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아크 용접방식이 적용되는 3D 프린터의 적층 후 냉각을 수행함에 있어, 용접봉의 적층 레이어별 궤적을 따라 시간차를 갖고 냉각을 수행함으로써, 조형 과정에서의 냉각 온도를 균일하게 유지하여 조형물 제작의 안정성을 확보할 수 있는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 3차원화된 모델링 파일을 3차원 공간 안에서 실제 사물을 만들어 낼 수 있는 시스템을 3D프린팅 시스템이라고 한다. 이 중 UV경화 수지계열을 프린팅하고 UV를 조사하여 경화시키면서 모형의 단면을 세분화시켜 인쇄 적층하는 방식으로 어떤 모형이든지 만들어 낼 수 있는 종래 잉크젯프린트 방식의 기술을 집약시킨 방식이 있다.
이러한 3D 프린팅 시스템에 대하여 일반적으로 플라스틱의 대표격인 ABS의 소재가 일부 사용되고 있다. 프린터기 출력방식은 크게 잉크젯프린트의 기계로 버블젯방식의 노즐에 순간적인 열을 가하여 발생하는 소재의 기포 방울을 따라 뒤쪽의 플레이트가 줄어드는 크기를 조절하는 것으로 미세한 소재를 분사하는 방식과, 써멀젯방식 즉, 열 전사 방식으로도 불리는 순간적인 고열로 잉크를 분사하는 방식 등이 사용되어 지고 있으며, 현재는 비교적 작은 모형을 만드는 기계들이 출시되고 있으나 사용되는 소재는 극히 제한적이다.
상기한 바와 같이 산업 현장, 생활 속에서 필요한 제품을 쉽게 만들 수 있는 3D프린트가 상용화되어 효과적으로 사용되고 있으나, 금속, 세라믹을 사용할 수 없는 단점이 있었다. 이에, 첨부된 특허문헌에서는 ‘가스 금속 아크 용접 방식의 3D 프린터’를 개시함으로써, 금속 재질의 3D 프린터에 대한 상용화를 언급하고 있다.
도 1에서 인지되는 바와 같이, GMAW 방식의 3D 프린터(100)는 용접 기판(110), 용접총(120), 전원 공급부(130), 재료 공급부(140) 및 가스 공급부(150)를 포함한다. 용접 기판(110)은 제작 대상 3D 형상물을 적층하기 위한 것으로, 구체적으로 용접 기판(110)과 소모성 전극 재료는 서로 다른 전압이 인가된 상태에서 용접총(120) 또는 용접 기판(110)이 소정의 구동 장치에 의해 수평, 수직 이동하면서 상호 접촉하게 되면, 용접 기판(110)과 소모성 전극 재료간에는 전압차에 따른 전류가 흐르게 되는데 이때 발생되는 접촉 저항의 발열에 의해 소모성 전극 재료가 녹으면서 용접 기판(110) 상에 소정 형상의 3D 구조체가 적층될 수 있다.
용접총(120)은 소모성 금속 전극 및 차폐 가스를 분사하기 위한 것으로, 구체적으로 상기 용접총(120)은 제작 대상 금속 3D 구조체의 형상에 따라 소모성 금속 전극을 상기 용접 기판(110)으로 분사하는 금속 전극 분사부(122) 및 상기 소모성 금속 전극에 대한 아크 용접 공정이 수행되는 공간으로 차폐 가스를 분사하는 차폐 가스 분사부(124)를 포함한다.
한편, 제시된 3D 프린터는 구조체를 적층시킴에 있어, 아크 용접 공정에 따른 발열이 발생함에 따라 이를 억제하기 위한 냉각 시스템을 보유하고 있다. 즉, 제작 대상 3D 구조체의 형상에 따라 다양한 사이즈로 제작될 수 있는 용접 기판(110)의 하측에는 베이스 기판이 구비되고, 가스 금속 아크 용접 공정에서 발생하는 열에 의해 베이스 기판이 손상되는 것을 방지하기 위해 베이스 기판의 내부 또는 인접한 하측으로 소정의 냉각수 경로를 갖는 냉각장치가 구비된다.
따라서, 선행문헌에서는 소모성 금속 전극을 타켓 재료와 접촉시켜 직류전원에 의해 발생된 아크로 이를 녹이는 아크 용접 과정에서 발생하는 발열을 베이스 기판의 냉각 시스템에 의존하고 있으며, 구리 선 등 일반적인 금속 와이어 전극 또는 고점성을 갖는 금속 페이스트(paste) 전극 소재의 용융 시 발열을 최소화하고 있다.
그러나, 베이스 기판의 냉각은 조형물의 초기 성형과정에서 그 효율성이 유지될 수 있으나, 적층의 높이가 높아질수록 냉각의 효율은 저하될 수밖에 없음은 자명할 것이다. 결국, 조형물의 적층 과정에서 지속적인 발열이 이루어지고, 발열 과정에서 조형물의 변형 또는 훼손이 불가피하다는 지적이 나오고 있다.
대한민국 공개특허 10-2015-0116951, 공개일자 2015년 10월 19일, 발명의 명칭 ‘가스 금속 아크 용접 방식의 3D 프린터’
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 용접봉의 적층 레이어별 궤적을 따라 시간차를 갖고 냉각을 수행함으로써, 조형 과정에서의 냉각 온도를 균일하게 유지하여 조형물 제작의 안정성을 확보할 수 있도록 함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 기 적층된 레이어의 측면을 포함하여 냉각함으로써 고열에 의한 작업 범위내의 위험성을 억제하고, 고열에 의한 조형물의 변형을 최소화할 수 있도록 함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 냉각 노즐의 중앙부를 직선형으로 구성하고, 중앙부의 양측면을 유선형으로 구성함으로써, 코안다 효과에 의해 적층 레이어의 상부와 적층 레이어의 측면을 용이하게 냉각하여 냉각의 효율성을 높일 수 있도록 함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 조형과정에서 적용되는 냉각수단을 냉각수 또는 냉각 가스가 사용되며, 냉각수는 규산염, 인산염, 봉산염 등의 비유기 계열의 첨가제 또는 소량의 규산염계 첨가제 또는 유기계 첨가제이며, 냉각 가스는 공기, 질소, 이산화탄소, 헬륨 중 어느 하나의 가스를 사용함으로써, 냉각의 안정성을 확보할 수 있도록 함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 냉각 시스템은, 아크 용접방식을 이용하여 조형물을 제작하는 3D 프린터의 냉각 시스템에 있어서, 아크용접 방식의 3D 프린터는 상용전원을 아크용접에 사용되는 정격 직류 고전압으로 변환하는 컨버터; 3D 모델링을 위한 레이어별 궤적 및 적층 제어, 금속 프린팅을 위한 원료공급 제어를 수행하고, 상기 레이어별 궤적을 설정된 시간차 동안 연장하며, 상기 레이어별 궤적과 설정된 시간차 동안의 지연시간을 갖고 냉각제를 공급제어하는 제어부; 상기 제어부의 레이어별 궤적 및 적층 제어에 응답하여 노즐부의 위치를 3차원으로 이송제어하는 모델링 구동부; 상기 제어부의 레이어별 궤적에 대응하여 금속 원료를 공급 제어하는 원료공급 구동부; 및 상기 제어부의 냉각제 공급제어에 응답하여 적재된 냉각제를 제공하는 냉각제 공급수단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상기 노즐부는, 금속 원료를 노출시키기 위한 원료노즐과 상기 냉각제를 분사시키기 위한 냉각노즐이 일체화된 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상기 냉각노즐은, 원료노즐의 축 방향을 기준으로 설정된 각도만큼 기울여지며; 상기 냉각노즐은 원료노즐의 중심축으로부터 10°내지 20°로 기울어져 용접부위와 냉각부위의 간격이 유지되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상기 노즐부는, 원료공급 관로의 하단에 체결되는 원료노즐 헤드를 포함하는 원료노즐 및 냉각제 공급관로의 하단에 마련되는 냉각노즐 헤드를 포함하는 냉각노즐이 브릿지에 의해 연결되고, 상기 원료노즐 헤드 및 냉각노즐 헤드는 상호 축 방향이 설정된 각도를 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상기 냉각노즐 헤드는, 노즐부의 장축면의 양측부로 곡률 구조를 갖는 코안다 곡률면이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상기 냉각제는, 규산염, 인산염, 봉산염 등의 비유기 계열의 첨가제 또는 소량의 규산염계 첨가제 또는 유기계 첨가제가 사용되는 냉각수이거나; 공기, 질소, 이산화탄소, 헬륨 중 어느 하나의 냉각 가스인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제시하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 냉각 시스템은, 접봉의 적층 레이어별 궤적을 따라 시간차를 갖고 냉각을 수행함으로써, 조형 과정에서의 냉각 온도를 균일하게 유지하여 조형물 제작의 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 기 적층된 레이어의 측면을 포함하여 냉각함으로써 고열에 의한 작업 범위내의 위험성을 억제하고, 고열에 의한 조형물의 변형을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 종래 가스 금속 아크 용접 방식의 3D 프린터의 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 아크용접 방식의 3D 프린터의 냉각 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 노즐부를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 도 3의 냉각노즐 헤드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 4의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 아크용접 방식의 3D 프린터를 나타낸 구성도이다. 먼저, 아크용접 방식의 3D 프린터(200)는 직류 방식을 예시하고 있으며, 필요에 따라 교류방식이 적용될 수 있음은 당연할 것이다. 3D 프린터에 적용되는 용접은 탄소 아크용접, 원자수소 용접, 금속아크 용접 등이 가능할 것이며, 금속 원료는 아크용접 방식에 적용 가능한 통상의 재질이 사용될 수 있다.
도시한 바와 같이, 아크용접 방식의 3D 프린터(200)는 상용전원을 아크용접에 사용되는 정격 직류 고전압으로 변환하는 컨버터(211)와, 3D 모델링을 위한 레이어별 궤적 및 적층 제어, 금속 프린팅을 위한 원료공급 제어를 수행하고, 상기 레이어별 궤적을 설정된 시간차 동안 연장하며, 상기 레이어별 궤적과 설정된 시간차 동안의 지연시간을 갖고 냉각제를 공급제어하는 제어부(201)와, 상기 제어부(201)의 레이어별 궤적 및 적층 제어에 응답하여 노즐부(205)의 위치를 3차원으로 이송제어하는 모델링 구동부(203)와, 상기 제어부(201)의 레이어별 궤적에 대응하여 금속 원료를 공급 제어하는 원료공급 구동부(209)와, 상기 제어부(201)의 냉각제 공급제어에 응답하여 적재된 냉각제를 제공하는 냉각제 공급수단(207)으로 구성된다.
상기 노즐부(205)는 금속 원료를 노출시키기 위한 원료노즐(221)과 상기 냉각제를 분사시키기 위한 냉각노즐(223)이 일체화된 구조로 이루어지며, 상기 냉각노즐(223)은 원료노즐(221)의 축 방향을 기준으로 설정된 각도만큼 기울여진 상태이다. 예컨대, 상기 냉각노즐(223)은 원료노즐(221)의 중심축으로부터 10°내지 20°로 기울어져 용접부위와 냉각부위의 간격이 유지되도록 한다.
한편, 전술되는 시간차라 함은 금속 원료의 공급 시 설정된 시간 이후에 냉각제를 원활하게 공급하기 위한 시간 차이를 의미하는 것으로, 금속 원료가 공급되는 시점에서 냉각제가 공급될 경우 아크 용접이 이루어지지 않기 때문이다. 또한, 레이어가 종료되는 시점과 냉각제 공급이 종료되는 시점 또한 시간차를 갖기 때문에, 금속 원료가 공급된 후 설정된 시간차 동안 지속적인 냉각제 공급이 이루어져야 한다. 따라서, 상기 제어부(201)는 금속 원료를 공급하는 레이어별 궤적을 제어한 후, 설정된 시간차 동안 궤적을 연장하되, 연장되는 궤적 동안에는 금속 원료를 공급하지 않고 냉각제만 지속적으로 공급한다.
여기서, 상기 궤적의 연장은 냉각노즐(223)에 의한 냉각 지점이 원료노즐(221)의 궤적과 일치하도록 함에 있으며, 상기 용접부위와 냉각부위 간의 거리만큼 궤적이 연장되는 것이다. 이러한 궤적은 직선인 경우 시간차 만큼의 직선 궤적을 연장하며, 곡선인 경우에는 시간차 만큼에 해당하는 최종 구간을 반복한다.
미설명된 베이스 패널(213)은 성형되는 조형물이 안착되는 패널로써, 본 발명에서는 베이스패널(213)의 냉각을 배제한다. 이는 베이스 패널(213)이 냉각될 경우 초기 레이어를 형성함에 있어 베이스 패널(213)의 냉각으로 인해 아크용접 시 불량을 초래하게 된다. 따라서, 베이스 패널(213)은 별도의 냉각 시스템을 구축하지 않음을 원칙으로 한다.
이와 같이 구성된 아크용접 방식의 3D 프린터(200)는 상용 교류전원이 인가되면 상기 컨버터(211)에서 정격 직류 전압으로 변환 출력된다. 상기 컨버터(211)는 아크 용접에 필요한 직류 고전압을 제공하는 것으로, 금속 재질의 베이스 패널(213)은 어스 상태를 유지한다. 상기 직류 고전압은 원료노즐(221)과 베이스 패널(213) 간의 고전압 스파크를 유도하여 통상의 아크 용접이 가능하다.
한편, 상기 교류전원은 제어부(201)를 포함한 시스템 전원으로 적용되며, 시스템 제어를 위한 정격 레귤레이팅을 수행한다. 이에, 상기 제어부(201)는 3D 프린터의 고유 기능과 더불어 냉각 운용을 위한 알고리즘이 수행된다. 즉, 상기 제어부(201)는 아크용접에 의한 3D 프린팅을 수행하도록 상기 모델링 구동부(203)를 제어한다. 모델링 구동부(203)는 제어부(201)의 운용 알고리즘에 대응하여 3차원 구조물을 성형하도록 제어되며, 상기 베이스 패널(213) 상으로 원료노즐(221)로부터 금속 원료가 공급되어 임의의 조형물이 성형된다.
이에 따라, 상기 원료공급 구동부(209)는 조형물의 성형을 위한 원료공급 제어가 이루어진다. 상기 원료공급 구동부(209)는 롤 타입으로 금속 원료인 와이어가 권취되며, 조형물의 조형 체적에 따라 금속 원료의 공급이 이루어진다, 상기 모델링 구동부(203)는 조형물의 형상에 따라 원료노즐(221)의 궤적을 정의하며, 원료노즐(221)의 모델링 구동부(203)의 제어 하에 3차원 궤적을 추종 제어한다.
한편, 원료노즐(221)와 소정 각도 예컨대, 원료노즐(221)의 중심축으로부터 10°내지 20°로 기울어져 부착된 냉각노즐(223)은 원료노즐(221)과 연동하여 설정된 시간 차를 갖고 상기 냉각제 공급수단(207)으로부터 냉각제를 분사한다. 냉각제는 용액 또는 가스로 이루어질 수 있으며, 냉각수일 경우에는 규산염, 인산염, 봉산염 등의 비유기 계열의 첨가제 또는 소량의 규산염계 첨가제 또는 유기계 첨가제가 사용되며, 냉각 가스일 경우에는 공기, 질소, 이산화탄소, 헬륨 중 어느 하나가 적용될 수 있다.
상기 제어부(201)는 냉각제를 공급함에 있어, 설정된 시간 차를 갖고 냉각제 공급이 이루어지는데, 아크용접의 개시 시점에서는 동일하게 냉각제를 공급하도록 제어할 수 있을 것이다. 이는 원료노즐(221)과 냉각노즐(223)이 일체화된 구조로 상호 중심축이 설정된 각도로 구성되어 있어, 용접과 동시에 냉각제를 공급하여도 무관할 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 냉각제의 사용 용량을 최소화하기 위해 원료노즐(221)에 의한 금속 원료가 공급된 후, 설정된 시간차 이후에 냉각제를 공급 제어함으로써, 냉각제의 소비량을 최소화한다.
예컨대, 용접부위와 냉각부위 간 거리에 대응하는 시간차(용접 속도는 등속도로서 거리에 대응하는 시간이 상수로 정의 됨)를 갖고 냉각제를 공급한다. 물론, 시스템의 제원에 따라 용접 속도가 가변될 수 있으며, 용접속도에 대응하여 시간차가 또한 가변될 수 있을 것이다. 이러한 시간차는 대략 0.5초 이상이 적절하며, 0.5초 미만인 경우에는 아크용접 과정 시 온도차에 의한 용접 불량이 발생할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 노즐부를 나타낸 사시도이다.
도시된 바와 같이, 상기 노즐부(205)는 원료공급 관로(305)의 하단에 체결되는 원료노즐 헤드(301)를 포함하는 원료노즐(221) 및 냉각제 공급관로(317)의 하단에 마련되는 냉각노즐 헤드(311)를 포함하는 냉각노즐(223)이 브릿지(331)에 의해 연결되고, 상기 원료노즐 헤드(301) 및 냉각노즐 헤드(311)는 상호 축 방향이 설정된 각도를 유지한다.
상기 원료공급 관로(305)는 원료공급 구동부(209)에 의해 제공되는 와이어 구조의 금속 원료가 인입되고, 원료노즐 헤드(301)의 중심부에 위치한 원료출구(303)를 통해 배출되며, 금속 원료의 배출 과정에서 아크 용접이 이루어진다.
상기 냉각노즐 헤드(311)는 중앙부에 냉각출구(313)를 구비하며, 상기 냉각제 공급관로(317)를 통해 유입되는 냉각제가 상기 냉각출구(313)로 배출된다. 여기서, 상기 냉각노즐 헤드(311)는 노즐부(205)의 장축면의 양측부(노즐부의 설치면을 기준으로 한 양측 방향으로서, 도면의 전면 및 배면)로 곡률 구조를 갖는 코안다 곡률면(315)을 형성함으로써, 상기 냉각출구(313) 및 코안다 곡률면(315)을 통해 냉각제가 공급된다.
상기 코안다 곡률면(315)은 조형물의 안측면과 외측면으로 냉각제를 공급하는 것으로, 과열 상태의 조형물을 효율적으로 냉각시키기 위한 구조이다. 따라서, 상기 냉각출구(313) 및 코안다 곡률면(315)을 거쳐 공급되는 냉각제는 조형물의 상부와 내외측면을 동시에 냉각시킨다. 만약, 상기 코안다 곡률면(315)이 구비되지 않는 경우에는 조형물의 상부 즉, 용접된 부위만을 냉각시키는 것으로 이미 적측된 레이어의 냉각이 이루어지지 않게 된다.
이는 금속 원료가 용접되는 과정에서 표면이 곡면을 이루기 때문에, 상부의 곡면으로 냉각제를 공급할 경우, 이미 적층된 레이어는 발열상태가 지속되어 작업 공간 내의 위험성이 확보되지 못할뿐만 아니라, 조형물의 변형을 억제할 수 없게 된다. 즉, 상기 냉각출구(313)만을 통해 냉각제가 공급되는 경우에는 금속원료의 상부만을 냉각시키기 때문에, 지속적인 적층과정에서 각 레이어의 발열 상태가 유지되어 조형물의 제조 공정상에서의 위험성을 노출하고, 조형물의 안정적 성형이 어렵게 되는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 냉각노즐 헤드(311)을 나타낸 단면도이다.
상기 냉각노즐 헤드(311)는 냉각제 공급관로(317)와 냉각출구(313)가 연통되는 구조이며, 상기 냉각노즐 헤드(311)와 냉각제 공급관로(317) 사이에는 상기 코안다 곡률면(315)으로 냉각제 공급을 위한 토출구(401)가 마련되어 상기 냉각제 공급관로(317) 및 냉각출구(313)와 연통된다. 따라서, 상기 냉각제 공급관로(317)를 통해 공급되는 냉각제는 상기 토출구(401) 및 냉각출구(313)를 통해 토출되며, 상기 냉각출구(313)로 토출되는 냉각제는 제1 토출방향(403)을 형성하고, 상기 토출구(401)를 통해 배출되는 냉각제는 코안다 곡률면(315)에 의해 제2 토출방향(405)이 결정된다.
상기 제2 토출방향(405)은 코안다 곡률면(315)에 의해 곡률 형태를 유지하며, 금속 원료의 내측면 및 외측면으로 냉각제를 공급하게 된다. 도 5는 상기 냉각노즐(223)의 동작 상태를 설명하기 위한 도면으로, 냉각노즐 헤드(311)가 도면의 정면 또는 배면으로 유동함에 있어, 상기 제1 토출방향(403)으로 토출되는 냉각제는 금속원료의 상부를 냉각시키며, 상기 코안다 곡률면(315)을 통해 공급되는 냉각제는 제2 토출방향(405)을 갖고 금속원료의 내측 및 외측면을 냉각시킨다.
상기 제2 토출방향(405)으로 안내되는 냉각제는 각 레이어의 내측면 및 외측면을 냉각시키며, 상부 적층 레이어의 냉각효율을 높인다. 즉, 하부 방향의 적층 레이어는 냉각제가 미치는 냉각효율이 저하되고, 상부 방향의 적층 레이어는 냉각제의 토출력이 높아 냉각효율을 높이게 된다. 이는 상부 적층 레이어 및 하부 적층 레이어를 동시에 냉각시킴에 있어, 상부방향으로 적층되는 레이어를 더욱 효과적으로 냉각시키는 구조인 것이다.
상기 냉각제가 코안다 곡률면(315)에 의해 곡선 형태를 갖는 제2 토출방향(405)으로 안내되는 것은 코안다 효과로서, 기체 또는 액체에 관계없이 코안다 효과를 얻게 된다. 이는 본 발명에 따른 냉각제를 기체 예컨대, 냉각제로 사용되는 공기, 질소, 이산화탄소, 헬륨 중 어느 하나의 가스를 사용하더라도 코안다 효과를 재현할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 냉각제를 규산염, 인산염, 봉산염 등의 비유기 계열의 첨가제 또는 소량의 규산염계 첨가제 또는 유기계 첨가제로 이루어진 냉각수를 사용하더라도 코안다 효과가 충분히 구현될 수 있는 것이다.
한편, 본 발명에서 예시하는 냉각노즐(223)은 원료노즐(221)과 일체화된 구조로서, 냉각노즐 헤드(311)는 원료노즐(221)의 중심축으로부터 10°내지 20°로 기울어지도록 설계되고 있으나, 이는 노즐부(205)의 부피를 최소화하기 위한 구조로서, 상기 냉각노즐(223)과 원료노즐(221)을 개별적으로 설치할 수 있을 것이다.
상기 냉각노즐(223)이 개별적으로 설치되는 경우에는, 냉각 노즐(223)이 적층 레이어 궤적을 시간차를 갖고 추적하도록 별도의 모델링 구동부(203)가 구비되어야 할 것이다.
200 : 아크용접 방식의 3D 프린터 201 : 제어부
203 : 모델링 구동부 205 : 노즐부
207 : 냉각제 공급수단 209 : 원료공급 구동부
211 : 컨버터 221 : 원료노즐
223 : 냉각노즐 301 : 원료노즐 헤드
303 : 원료출구 305 : 원료공급 관로
311 : 냉각노즐 헤드 313 : 냉각출구
315 : 코안도 곡률면 317 : 냉각제 공급관로
331 : 브릿지 401 : 토출구
403 : 제1 토출방향 405 : 제2 토출방향

Claims (7)

  1. 아크 용접방식을 이용하여 조형물을 제작하는 3D 프린터의 냉각 시스템에 있어서,
    아크용접 방식의 3D 프린터(200)는 상용전원을 아크용접에 사용되는 정격 직류 고전압으로 변환하는 컨버터(211), 3D 모델링을 위한 레이어별 궤적 및 적층 제어, 금속 프린팅을 위한 원료공급 제어를 수행하고, 상기 레이어별 궤적을 설정된 시간차 동안 연장하며, 상기 레이어별 궤적과 설정된 시간차 동안의 지연시간을 갖고 냉각제를 공급제어하는 제어부(201), 상기 제어부(201)의 레이어별 궤적 및 적층 제어에 응답하여 노즐부(205)의 위치를 3차원으로 이송제어하는 모델링 구동부(203), 상기 제어부(201)의 레이어별 궤적에 대응하여 금속 원료를 공급 제어하는 원료공급 구동부(209) 및 상기 제어부(201)의 냉각제 공급제어에 응답하여 적재된 냉각제를 제공하는 냉각제 공급수단(207)으로 이루어지고;
    상기 노즐부(205)는 원료공급 관로(305)의 하단에 체결되는 원료노즐 헤드(301)를 포함하는 원료노즐(221) 및 냉각제 공급관로(317)의 하단에 마련되는 냉각노즐 헤드(311)를 포함하는 냉각노즐(223)이 브릿지(331)에 의해 연결되고, 상기 원료노즐 헤드(301) 및 냉각노즐 헤드(311)는 상호 축 방향이 설정된 각도를 유지하며;
    상기 냉각노즐 헤드(311)는 노즐부(205)의 장축면의 양측부로 곡률 구조를 갖는 코안다 곡률면(315)을 형성하여, 상기 냉각제가 조형물의 상부와 내외측면을 동시에 냉각하도록 유도하는 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐부(205)는 금속 원료를 노출시키기 위한 원료노즐(221)과 상기 냉각제를 분사시키기 위한 냉각노즐(223)이 일체화된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 냉각 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각노즐(223)은 원료노즐(221)의 축 방향을 기준으로 설정된 각도만큼 기울여지며;
    상기 냉각노즐(223)은 원료노즐(221)의 중심축으로부터 10°내지 20°로 기울어져 용접부위와 냉각부위의 간격이 유지되는 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 냉각 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료공급 관로(305)는 원료공급 구동부(209)에 의해 제공되는 와이어 구조의 금속 원료가 인입되고, 원료노즐 헤드(301)의 중심부에 위치한 원료출구(303)를 통해 배출되며, 금속 원료의 배출 과정에서 아크 용접이 이루어지고;
    상기 냉각노즐 헤드(311)는 중앙부에 냉각출구(313)를 구비하며, 상기 냉각제 공급관로(317)를 통해 유입되는 냉각제가 상기 냉각출구(313)로 배출되는 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 냉각 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각제는 규산염, 인산염, 봉산염 등의 비유기 계열의 첨가제 또는 소량의 규산염계 첨가제 또는 유기계 첨가제가 사용되는 냉각수이거나;
    공기, 질소, 이산화탄소, 헬륨 중 어느 하나의 냉각 가스인 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 냉각 시스템.
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