KR101826024B1 - 물질분사 방식 3d 프린터의 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물질분사 방식의 3D 프린터에 있어서, 용융된 소재가 토출되는 노즐의 하부 노즐홀의 단면이, 서로 교차하는 두 변이 직각인 사각형인 물질분사방식의 3D 프린터 노즐을 제공하며, 사각형 단면 형상의 노즐홀을 갖는 노즐을 사용하여 적층 시 기존의 점 접촉 방식이 아닌 면 접촉으로 적층하여 계면접착력을 향상시키고, 보다 부드러운 표면제작이 가능하다.

Description

물질분사 방식 3D 프린터의 노즐{NOZZLE FOR MATERIALS EXTRUSION TYPE 3D PRINTER}

본 발명은 3D 프린터의 노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물질분사 방식의 3D 프린터 노즐에서 용융소재가 토출되는 노즐홀의 단면이, 교차하는 두 변이 서로 수직인 사각형으로 형성된 물질분사 방식의 3D 프린터 노즐에 관한 것이다.

3D 프린팅은 스캐닝이나 모델링을 통한 3차원의 디지털 자료를 기반으로, 재료를 한겹 한겹 차례로 쌓아 올리는 공정을 통하여 원하는 형상을 만드는 적층가공(Additive manufacturing)의 일종으로서, 광의적 의미에서 3D 프린팅 기술은 적층 가공전체를 의미하기도 한다. 3D 프린팅 공정은 기존 다른 가공 공정에 비해 제작에 소요되는 에너지가 약 50%이상, 소재는 약 90%이상 절감할 수 있다고 알려져 있다.

3D 프린팅 방식은 적층방식에 따라, 크게 9가지의 유형으로 나누어지는 데, 그 중에서 흔히 물질분사(Material Extrusion) 방식이 가장 하드웨어 구성이 간단하여 가정용으로 널리 보급되어 있다. 물질분사 방식의 3D 프린터는 FFF(fused filament fabrication), ME(materials Extrusion) 3D 프린터를 포함한다. ME 3D 프린터는 일반적으로, XY 축 방향으로 이동 가능한 프린터 헤드가 Z 방향으로 이동가능하게 구성된 이동조형판의 상부에서, 물질을 분사하면서 3차원의 구조물을 만들어내는 데, 소재로 열가소성 수지로 제작된 직경 1.25밀리미터에서 3밀리미터의 원형 단면을 갖는 필라멘트가 주로 사용되며, 공급된 필라멘트가 용융되면서 프린터 헤드 하부에 배치된 노즐을 통해 분사되어 한겹 한겹 적층된다.

그런데 종래의 ME 3D 프린터는 원형 단면의 노즐홀을 갖는 노즐을 사용하여 구조물을 적층하여 제작하므로, 계면간의 접촉이 선 접촉을 이루어 출력물의 강도가 낮으며, 표면이 거칠어지는 문제점이 있었다. 이러한 단점을 해결하기 위해, 다양한 후처리(열처리, 화학처리)를 통하여 표면을 부드럽게 하거나 강도를 높이는 방식이 사용되고 있으나, 이 방법 또한 특수한 재질에서만 가능하거나 출력물의 형상이 변형 되는 등의 단점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 물질분사 방식의 3D 프린터에서 적층된 구조물 즉, 출력물에서 토출된 소재 계면 간의 접촉력을 향상시켜 구조물의 강도를 향상시키고 표면을 상대적으로 부드럽게 형성하는 것이 가능한 물질분사 방식 3D 프린터의 노즐을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 물질분사 방식의 3D 프린터에서 적층된 구조물에서 표면이 되는 윤곽 부분의 정밀도를 향상시키는 것이 가능한 물질분사 방식 3D 프린터의 노즐을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 물질분사 방식의 3D 프린팅에 있어서, 노즐에는 용융 소재가 토출되는 노즐홀이 길이방향으로 형성되되, 길이 방향에 교차하는 노즐홀의 단면이 서로 교차하는 두 변이 직각인 사각형으로 형성되는 물질분사방식의 3D 프린터 노즐을 제공한다. 사각형 단면 노즐홀을 갖는 노즐을 사용하여 적층 시 기존의 점 접촉 방식이 아닌 면 접촉으로 적층하여 계면접착력을 향상시키고, 보다 부드러운 표면제작이 가능하다.

본 발명에 의하면, 상기 노즐홀의 단면이 정사각형으로 구성된다. 정사각형 단면 노즐홀을 갖는 노즐의 경우 기존 G-code를 그대로 사용하여 출력할 수 있으며, 노즐의 교체만으로도 강도가 향상된 구조체를 제작할 수 있다.

본 발명에 의하면, 상기 노즐홀의 단면이 직사각형으로 구성된다. 직사각형 단면 형상의 노즐홀을 갖는 노즐을 사용할 경우, 노즐홀을 통해 토출되는 직사각형 형태의 용융소재에서 긴 면은 주로 전체적인 구조물의 윤곽을 제작하기 위해 사용하고, 짧은 면은 주로 표면이 되는 외곽 부분 적층시 구동시키면, 전체적인 제작 속도와 부드러운 표면을 함께 얻을 수 있다.

본 발명에 의하면, 상기 3D 프린터 노즐은, 출력되는 구조물의 곡선진 외부 표면이 토출된 직사각형 단면의 용융 소재의 짧은 변들 사이의 단차에 의해 구현되도록, 구조물의 형상에 따라 상기 3D 프린터 노즐에 의해 토출되는 용융 소재의 적층 방향 변경이 가능하다.

본 발명에 의하면, 상기 노즐홀은 적어도 일부 길이의 구간에서 길이방향에 교차하는 사각형 단면의 각 변에서 내측을 향해 라운드지게 융기된 융기부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 3차원 출력물을 이루는 토출 소재가 면 접촉 방식으로 결합함으로, 구조물의 강도가 현저히 증가하는 효과가 있다. 특히 기존 물질분사 방식의 3D 프린터의 시스템을 그대로 이용하면서 노즐홀의 단면이 정사각형인 노즐을 사용하는 것만으로 연신률이 4~5배 증가하는 효과가 있다. 본 발명에 의하면, 인장강도가 현저하게 증가하며, 이는 3차원 출력물의 강도에 직접적인 요인으로 작용하는 것으로, 모든 출력조건이 동일한 가운데, 노즐의 형상만 정사각형으로 바뀌었을 때, 인장 강도가 20% 이상 증가하는 효과가 있다.

본 발명에 의하면, 직사각형 단면 노즐홀을 갖는 노즐을 사용할 경우, 제작속도는 기존과 동일하지만, 보다 정밀한 치수로 제작이 가능하여 부드러운 곡면 제작이 가능하며, 정사각형 단면 노즐홀을 갖는 노즐과 같이 면 접촉으로 인한 강도 증가를 동시에 얻을 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 물질분사 방식의 3D 프린터 노즐의 단면도이다.
도 2a 및 2b는 각각 도 1 의 물질분사 방식의 3D 프린터 노즐에서, x-x' 방향의 단면도(2a)이고, (b) y-y' 방향 단면도(2b)이다.
도 3 은 물질분사 방식의 3D 프린터에서 종래와 같이 노즐홀의 단면이 원형인 노즐을 이용하여 적층된 구조물의 단면(a)과 본 발명에 따른 노즐홀 단면이 정사각형인 노즐을 이용하여 적층된 구조물의 단면(b)을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4 는 노즐홀의 단면이 원형인 노즐(circle nozzle)과 노즐홀의 단면이 사각형인 노즐(Rectangular nozzle)을 각각 이용하여 인장시편을 제작하고 인장 시험을 한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 동일한 출력속도를 유지하면서, 정밀도와 강도가 향상된 프린팅이 가능하도록 하는, 노즐홀의 단면이 직사각형인 노즐을 이용한 적층 메커니즘에 대한 설명도이다.
도 6 는 노즐홀의 단면이 직사각형인 3D 프린터 노즐을 이용하여 적층된 적층 구조물의 정밀도가 향상되는 것을 개념적으로 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 물질분사 방식의 3D 프린터 노즐의 단면도이고, 도 2a 및 2b는 각각 도 1 의 물질분사 방식의 3D 프린터 노즐에서, x-x' 방향의 단면도(2a)이고, (b) y-y' 방향 단면도(2b)이다.

도 1 및 도 2a 참조하면, 본 발명에 따른 물질분사 방식의 3D 프린터 노즐은 노즐(10)에서 용융 소재가 토출되는 노즐홀(12)의 단면이, 서로 교차하는 두변이 직각이 사각형을 포함한다.

서로 교차하는 두변이 직각인 사각형 단면은 교차하는 두변의 길이가 서로 같은 정사각형 단면 또는 교차하는 두변의 길이가 서로 상이한 직사각형 단면을 포함하며, 본 발명에 의하면 노즐의 노즐홀의 단면은 정사각형 또는 직사각형을 포함한다.

도 3 은 물질분사 방식의 3D 프린터에서 종래와 같이 노즐홀의 단면이 원형인 노즐을 이용하여 적층된 구조물의 단면(a)과 본 발명에 따른 노즐홀의 단면이 정사각형인 노즐을 이용하여 적층된 구조물의 단면(b)을 개념적으로 도시한 도면이다.

도 3 에서 보이는 바와 같이, 노즐홀의 단면이 원형인 노즐을 사용하여 적층된 구조물의 경우 적층 소재가 원형 단면으로 노즐을 통해 토출되기 때문에 토출된 용융 소재 간의 접촉이 점 또는 선 접촉을 이룬다(도 3의 (a) 참조). 그러나 본 발명에 따라 노즐홀의 단면이 정사각형인 노즐을 사용하여 적층된 구조물의 경우 토출된 용융 소재간의 접촉이 면접촉을 이루면서 적층됨을 알 수 있다(도 3의 (b) 참조). 즉, 본 발명에 따라 노즐홀의 단면이 정사각형 또는 직사각형을 이루는 경우 출력된 구조물에서 층을 이루는 소재 간 및 층과 층 사이의 토출 소재가 면 접촉을 이룸으로 구조물의 강도가 크게 향상된다. 또한, 토출된 용융 소재에 의해 형성된 편평면을 보면, 용융 소재가 사각형상으로 토출되어 적층되는 경우 표면 굴곡이 최소화되므로 표면 거칠기를 최소화할 수 있다.

도 4 는 노즐홀의 단면이 원형인 노즐(circle nozzle)과 노즐홀의 단면이 사각형인 노즐(Rectangular nozzle)을 각각 이용하여 인장시편을 제작하고 인장 시험을 한 결과를 나타낸 도면으로, 노즐홀의 단면 형상이 서로 상이한 것으로 제외하고는 나머지 조건은 동일한 조건에 이루어졌다.

노즐홀의 단면이 사각형인 실험에 사용된 노즐은 한 변의 길이가 840um 정사각형 단면을 갖는 노즐홀을 갖는 노즐이 사용되었으며, 원형 노즐의 경우 직경이 0.4mm 인 노즐홀을 갖는 노즐이 사용되었다. 실험 조건으로는 프린팅 속도 150 mm/sec, 레이어 두께 0.1mm, 내부 채움 100%, 쉘 개수(테두리 라인 형성) 1개, 출력 노즐 온도 220℃, 베드 온도는 상온인 조건으로 출력하였다.

도 4의 인장강도 테스트 결과를 보면, 노즐홀의 단면 형상이 변경되는 것만으로 연신율이 4~5배 이상 증가하는 것을 알 수 있으며, 3D 프린팅의 통해 출력된 구조물의 인장강도가 20% 이상 증가함을 확인할 수 있다.

본 발명에 의하면, 물질 분사 방식의 3D 프린터의 노즐에서 노즐홀의 단면이 정사각형 단면을 가지는 경우, 한 변의 길이는 노즐의 막힘 현상을 방지하기 위하여 적어도 50um 인 것이 바람직하다. 그리고 물질분사 방식 중에서 합성수지 소재의 필라멘트를 이용하는 경우 필라멘트 용융 소재가 노즐에서 막힘 현상이 일어나는 것을 방지하고 구조물의 완성도를 높이고 출력안정성을 확보하기 위하여 50um~400um 인 것이 바람직하다.

그러나 세라믹 소재를 이용하는 물질분사 방식의 3D 프린터의 경우 구조물의 형상에 따라 노즐홀의 단면의 한 변의 길이를 자유롭게 선택할 수 있다.

노즐의 노즐홀의 단면이 정사각형을 이루는 경우에, 기존의 3D 프린터의 하드웨어 및 소프트웨어를 변경함이 없이 기존의 노즐홀의 원형 단면의 직경과 동일한 한 변을 갖는 직사각형 단면을 갖는 노즐홀을 구비한 노즐로 교체하는 것만으로 구조물의 강도 향상 및 표면 거칠기 향상을 이룰 수 있다.

다시 도 1 및 도 2b 를 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린터의 노즐(10)의 노즐홀(12)은, 길이방향에 교차하는 단면의 사각형의 각 변에서 내측을 향해 라운드지게 융기된 융기부(15)를 포함한다. 이러한 융기부(15)는 노즐홀(12)의 전체 길이를 따라 형성될 수 있으며, 노즐홀(12)의 하단 토출구(14) 제외하고 그 상부로 형성될 수 있다. 즉, 노즐홀(12)은 사각형 단면의 각 변에서 내측을 향해 라운드지게 융기된 융기부(15)를 구비한 형태로 아래로 연장되며, 바람직하게는 하단 토출구(14)에서 융기부(15)가 없는 상태로 아래로 연장된다.

물질분사 방식의 3D 프린터는 열가소성 수지로 제조된 필라멘트를 이용하는 것이 일반적인데, 이러한 필라멘트는 보통 작게는 직경 1.25 mm에서 크게는 3mm의 치수를 갖는 원형 단면을 가지며, 직경 1.75mm 의 필라멘트가 널리 사용되고 있다. 이러한 원형 단면의 필라멘트는 제어부의 구동에 의해 필라멘트 피더(FEEDER)에서 공급되면서 프린터 헤드에서 용융된 후 노즐을 통해 토출되면서 적층되는 데, 원형 단면의 필라멘트가 정사각형 또는 직사각형 단면을 갖는 노즐 하부의 노즐홀로 이동할 때, 소재 유동 부분의 단면 형상의 상이로 인하여 균일한 유동을 형성하지 못하여 노즐에서 노즐홀을 통해 토출될 때 다시 원형 형태를 회복하려는 경향이 발생한다.

그러나 본 발명에 의하면 노즐홀(12)에서 적어도 하단 토출구(14) 상부측에서, 각 변에서 내측을 향해 돌출된 융기부(15)가 형성되므로, 이 융기부(15)를 용융 소재가 지나면서 용융 소재가 사각형 단면 형상으로 자연스럽게 천이된다. 본 명세서에서 노즐홀(12)의 사각형 단면은 사각형 단면을 이루는 각 변에서 내측으로 융기된 융기부(15)가 형성된 경우와 융기부(15)가 형성되지 아니한 모든 경우를 포함한다.

또한, 바람직하게는, 본 발명에 의하면, 노즐홀(12)의 하단 토출구(14)는 융기부(15)가 없는 형태로 형성되는 바, 하단 토출구(14)에서 용융 소재가 사각형 단면 형태를 갖는데 더욱 유리하다. 따라서 구조물 출력시 토출 소재 간의 면접촉이 보다 안정적으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 물질분사방식의 3D 프린터의 노즐(10)은 노즐홀(12)의 단면 형태가 직사각형인 경우를 포함한다. 도 5 는 노즐홀의 단면이 직사각형인 3D 프린터 노즐에 의한 구조물의 적층 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.

도 5 를 참조하면, 노즐에는 서로 교차하는 두 변의 길이가 서로 상이한 직사각형의 단면을 갖는 노즐홀이 구비된다. 이러한 직사각형 단면의 노즐홀을 갖는 3D프린터 노즐을 통하여 구조물의 적층이 이루어질 때, 긴 변(a)이 높이를 이루면서 노즐이 진행되면서 구조물의 출력이 이루어질 수 있으며, 짧은 변(b)이 높이를 이루면서 구조물의 출력이 이루어질 수도 있다. x-축과 y-축의 step은 노즐홀의 단면의 직사각형의 비율과 치수에 따라 달라지며, 이에 따라 각 층의 적층 후 z-축 방향의 step 또한 유기적으로 변화할 수 있다.

본 발명에 의하면 노즐홀의 직사각형 단면에서 짧은 변은 100마이크로미터(um)에서 400마이크로미터(um)의 길이를 가지며, 짧은 변과 긴 변의 길이 비율(종횡비)은 2~4인 것이 구조물의 강도 측면에서 바람직하다. 한편, 바람직하게는, 짧은 변과 긴변은 정수의 배수관계를 가지는 것이 바람직하다. 노즐홀의 단면이 직사각형인 경우 구조물의 형상에 따라 적층 방향이 변경되는 것이 가능한 바, 직사각형 단면의 짧은 변과 긴 변이 정수의 배수관계를 이루는 경우 적층 방향 변경에 따른 단차를 해소하여 출력안정성이 향상된다.

이와 같이, 노즐홀의 단면이 직사각형인 3D 프린터 노즐의 경우 3D 프린터의 제어부에 적층 방향 및 적층 두께를 프로그래밍하는 기능을 추가하여, 구조물을 적층하기 위한 노즐의 진행 방향을 결정하도록 하는 것이 필요하다.

도 6 는 노즐홀의 단면이 직사각형인 3D 프린터 노즐을 이용하여 적층 구조물의 정밀도가 향상되는 것을 개념적으로 도시한 것이다.

도 6 의 (b) 및 (d)에서 보이는 바와 같이, 적층 구조물의 외부 표면이 곡선을 이루는 경우, 노즐홀의 단면이 직사각형인 3D 프린터의 노즐을 이용하여, 직사각형의 짧은 변(b)의 단차에 의해 곡선진 형태가 이루어지도록 구조물의 적층 방향을 제어할 수 있다.

도 6의 (b)는 XY 평면에서 외부 표면이 곡선진 경우에 직사각형의 긴 변(a)이 높이를 이루면서 외부 표면이 곡선지도록 출력된 것의 단면도이고(Z가 높이방향), 도 6 의 (d)는 XZ 평면에서 외부 표면이 곡선이 경우에 직사각형의 짧은 변(b)이 높이를 이루면서 외부 표면이 곡선지도록 출력된 것의 단면도이다(Z가 높이방향). 도 6의 (a) 및 (C) 각각은 노즐홀의 단면이 원형인 노즐을 사용하여 외부 표면이 곡선지도록 출력된 것의 단면도로서, 도 6의 (a)와 (b)의 대비, 및 도 6의 (c)와 (d)의 대비에서 확인가능한 바와 같이, 곡선진 외부 표면의 정밀도가 크게 형상되는 것을 확인할 수 있다.

3D 프린터를 이용하여 3차원 구조물을 제작 즉, 출력할 때 노즐을 통한 소재의 토출량이 제작 속도에 영향을 미치는 데, 종래의 노즐홀의 단면이 원형인 노즐을 사용하는 경우, 직경이 작은 것을 사용할수록 표면 정밀도(해상도)는 향상되나 제작 속도를 늦어진다. 즉, 정밀도(해상도)와 제작속도는 서로 반비례하는 관계를 가진다.

그러나, 노즐홀의 단면이 직사각형인 노즐의 경우 짧은 변을 가지면서도 소재의 토출량을 증가시키는 것이 가능하므로, 긴 면 주로 전체적인 구조물의 윤곽을 제작하기 위해 사용하고, 짧은 면은 주로 표면이 되는 외곽 부분 적층시 사용함으로써, 전체적인 제작 속도와 부드러운 표면을 함께 얻을 수 있다. 넓은 면이 수직으로 적층될 경우와 얇은 면이 수직으로 적층될 경우 step 간격이 달라져야 함으로 직사각형 단면을 갖는 노즐의 경우 3차원 구조물을 출력을 위한 G-code 설계시 이를 계산하여 최적의 적층 경로를 찾는 프로그램이 3D 프린터의 제어부에 구비된다. 또한, 노즐의 방향을 용이하게 변경할 수 있도록 노즐을 회전시킬 수 있는 회전수단을 추가로 구비할 수 있다.

노즐홀의 단면이 직사각형인 노즐을 갖는 3D 프린터의 경우 x축 방향과 y축 방향의 step 간격과 z축 방향의 step 간격이 노즐의 방향에 따라 연동하여 바뀌면서 제작속도는 유지하면서 부드러운 표면 또한 구현할 수 있는 장점이 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

1. 필라멘트 피더에서 공급되는 원형 단면의 필라멘트가 프린터 헤드에서 용융되어 노즐을 통해 토출되면서 적층되어 구조물을 형성하는 물질 분사 방식의 3D 프린터의 노즐로서,
   노즐에는 용융소재가 토출되는 노즐홀이 길이방향으로 형성되되, 상기 노즐 하부에서 길이방향에 교차하는 상기 노즐홀의 단면이 정사각형 또는 직사각형 형태의 사각형으로 형성되어, 상기 노즐홀을 통해 사각형 단면을 갖는 형태로 용융 소재가 토출되며,
   상기 노즐홀을 통해 토출된 용융 소재가 적층되어 구조물을 형성할 때 용융 소재의 층간 접촉이 면접촉을 이루도록 하되,
   상기 노즐홀은, 용융소재가 토출되는 하부의 사각형 단면 부분의 상측으로 적어도 일부 길이의 구간에서 길이방향으로 교차하는 사각형 단면을 이루는 각 변에서 내측을 향해 라운드지게 융기된 융기부를 구비하여, 원형 단면의 용융소재가 상기 융기부를 지나면서 사각형 단면 형태로 천이되도록 형성된 것을 특징으로 하는 물질 분사 방식의 3D 프린터의 노즐.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 노즐홀은 직사각형 단면을 가지며,
   상기 3D 프린터의 노즐은, 출력되는 구조물의 곡선진 외부 표면이 토출된 직사각형의 단면 용융 소재의 짧은 변들 사이의 단차에 의해 구현되도록, 구조물의 형상에 따라 상기 3D 프린터 노즐에 의해 토출되는 용융 소재의 적층 방향이 변경 가능한 것을 특징으로 하는 물질분사 방식의 3D 프린터의 노즐.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 노즐홀의 직사각형 단면은 짧은 변과 긴 변의 길이 비율이 2~4 인 것을 특징으로 하는 물질분사 방식의 3D 프린터의 노즐.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 노즐홀의 직사각형 단면은 짧은 변과 긴 변의 길이는 정수배를 이루는 것을 특징으로 하는 물질분사 방식의 3D 프린터의 노즐.
   
7. 삭제

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