KR101921722B1

KR101921722B1 - 3d 프린팅을 위한 보호가스 장치 및 이를 포함하는 보호가스 냉각 시스템

Info

Publication number: KR101921722B1
Application number: KR1020180076902A
Authority: KR
Inventors: 이창제; 이경우
Original assignee: (주)대주금속
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2018-11-23

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치는, 기 설정된 경로를 따라 위치 이동하며, 공급된 용접 금속을, 아크 용접 방식을 통해 패드에 적층하여 입체 구조체를 제작하는 3D 프린터의 노즐 장치에 장착되는 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치에 있어서, 공급된 용접 금속을 배출하는 공급관이 형성된 상기 노즐 장치를 포위한 채, 상기 패드를 향해 보호가스를 분사하여 상기 패드와 상기 공급관 사이에 발생된 아크를 보호하는 보호가스 노즐부, 상기 보호가스 노즐부를 포위한 채, 상기 패드를 향해 제1 냉각가스를 분사하여 상기 아크에 의해 용융된 용접 금속을 냉각시키는 냉각 노즐부 및 상기 냉각 노즐부를 포위한 채, 상기 패드를 향해 제2 냉각가스를 분사하여 상기 경로를 따라 적층된 용접 금속의 잔류 열을 낮추고, 적층된 용접 금속을 대기로부터 차폐시키는 트레일링 노즐부를 포함할 수 있다.

Description

3D 프린팅을 위한 보호가스 장치 및 이를 포함하는 보호가스 냉각 시스템{The shielded gas apparatus for 3D Printer and its cooling system including the same}

본 발명은 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치 및 이를 포함하는 보호가스 냉각 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 기 설정된 경로를 따라 위치 이동하며, 공급된 용접 금속을, 아크 용접 방식을 통해 패드에 적층하여 입체 구조체를 제작하는 3D 프린터의 노즐 장치에 장착되는 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치 및 이를 포함하는 보호가스 냉각 시스템에 관한 것이다.

3D 프린터는 특정 소프트웨어에 의해서 작성된 3차원 설계도에 기초해서 연속적인 계층의 물질을 분사해서 3차원 물체를 제조하는 장치로, 개발 초기에는 주로 시제품의 제작에 사용되었으나, 최근에는 선박, 자동차, 건축, 의료, 식품 등 산업의 전분야에서 널리 이용되고 있고, 또한 소비자가 자기만의 스타일과 디자인으로 물건을 맞춤 생산하기 위한 용도로도 이용이 확대되고 있다.

이러한 3D 프린터의 제품 성형 방식 중, GMAW 방식의 3D 프린터는 적층 기판과 소모성 전극 재료 간의 전압 차에 따른 전류에 의해 발생되는 아크 열에 의해 소모성 전극재료가 녹으면서 적층 기판 상에 소정 형상의 3D 구조체가 적층되어 제품을 구현하는 방식이다.

한국등록특허 제10-1760832호 한국공개특허 제10-2015-0116951호

본 발명의 목적은, 기 설정된 경로를 따라 위치 이동하며, 공급된 용접 금속을, 아크 용접 방식을 통해 패드에 적층하여 입체 구조체를 제작하는 3D 프린터의 노즐 장치에 장착되어 용접 금속 층의 열을 빠르게 냉각시킴으로써, 적층 중인 용융금속의 용락이나 흘러내림을 방지하여 적층 폭이 얇으면서 많은 양을 빠르게 적층시킬 수 있는 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치 및 이를 포함하는 보호가스 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치는, 기 설정된 경로를 따라 위치 이동하며, 공급된 용접 금속을, 아크 용접 방식을 통해 패드에 적층하여 입체 구조체를 제작하는 3D 프린터의 노즐 장치에 장착되는 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치에 있어서, 공급된 용접 금속을 배출하는 공급관이 형성된 상기 노즐 장치를 포위한 채, 상기 패드를 향해 보호가스를 분사하여 상기 패드와 상기 공급관 사이에 발생된 아크를 보호하는 보호가스 노즐부, 상기 보호가스 노즐부를 포위한 채, 상기 패드를 향해 제1 냉각가스를 분사하여 상기 아크에 의해 용융된 용접 금속을 냉각시키는 냉각 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치는, 기 설정된 경로를 따라 위치 이동하며, 공급된 용접 금속을, 아크 용접 방식을 통해 패드에 적층하여 입체 구조체를 제작하는 3D 프린터의 노즐 장치에 장착되는 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치에 있어서, 공급된 용접 금속을 배출하는 공급관이 형성된 상기 노즐 장치를 포위한 채, 상기 패드를 향해 보호가스를 분사하여 상기 패드와 상기 공급관 사이에 발생된 아크를 보호하는 보호가스 노즐부, 상기 보호가스 노즐부를 포위한 채, 상기 패드를 향해 제1 냉각가스를 분사하여 상기 아크에 의해 용융된 용접 금속을 냉각시키는 냉각 노즐부 및 상기 냉각 노즐부를 포위한 채, 상기 패드를 향해 제2 냉각가스를 분사하여 상기 경로를 따라 적층된 용접 금속의 잔류 열을 낮추고, 적층된 용접 금속을 대기로부터 차폐시키는 트레일링 노즐부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 상기 냉각 노즐부는, 상기 노즐 장치에 장착되며, 상기 제1 냉각가스의 분사 단면적이 일정한 제1 경로부 및 상기 제1 경로부의 끝단에, 상기 보호가스 노즐부로부터 멀어지는 방향으로 굴곡지게 형성되는 제1 굴곡부를 구비하며, 상기 제1 굴곡부는, 상기 제1 냉각가스의 확산을 유도하고, 상기 패드 상에 적층된 용접 금속을 냉각시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 상기 냉각 노즐부는, 상기 제1 냉각가스가 상기 제1 경로부를 통해 제1 분사속도로 분사되는 중에, 분사 단면적이 확대되는 상기 제1 굴곡부에서 상기 제1 분사속도가 줄어들도록 하여, 상기 제1 냉각가스의 상기 패드와의 접촉에 따른 와류 발생이 감소되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 상기 트레일링 노즐부는, 상기 노즐 장치에 장착되되, 상기 제2 냉각가스의 분사 단면적이 일정한 제2 경로부 및 상기 제2 경로부의 끝단에, 상기 보호가스 노즐부로부터 멀어지는 방향으로 굴곡지게 형성되는 제2 굴곡부를 구비하며, 상기 제2 굴곡부는, 상기 제2 냉각가스의 확산을 유도함으로써 차폐 범위가 확대되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 상기 트레일링 노즐부는, 상기 제2 냉각가스가 상기 제2 경로부를 통해 제2 분사속도로 분사되는 중에, 분사 단면적이 확대되는 상기 제2 굴곡부에서 상기 제2 분사속도가 줄어들도록 하여, 상기 제2 냉각가스의 상기 패드와의 접촉에 따른 와류 발생이 감소되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 상기 트레일링 노즐부는, 상기 냉각 노즐부의 외주면을 따라 구획된 분사공간을 제공하는 복수개의 분사노즐을 구비하며, 상기 노즐 장치가 기 설정된 경로를 따라 위치 이동되는 중에, 상기 노즐 장치의 위치 이동 방향의 반대 방향에 위치한 분사노즐이 활성화되어, 용접 금속의 대기로부터의 차폐 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 상기 트레일링 노즐부는, 상기 냉각 노즐부의 외주면을 따라 구획된 8개의 분사노즐을 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 상기 트레일링 노즐부는, 복수개의 분사노즐 각각의 개폐 여부를 결정하는 솔레노이드 밸브를 더 구비하며, 상기 노즐 장치의 방향 전환 정도를 감지하는 감지부 및 상기 감지부에 의해 감지된 결과를 기초로, 상기 솔레노이드 밸브를 개폐하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 상기 제1 굴곡부의 굴곡률은, 상기 제2 굴곡부의 굴곡률보다 작을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 상기 제1 냉각가스의 온도는, 상기 노즐 장치가 직선 운동하는 구간에서는 제1 온도로 유지되며, 상기 노즐 장치가 곡선 운동하는 구간에서는 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 유지되며, 상기 제2 온도는, 상기 노즐 장치의 위치 이동 방향의 변화율과 비례 관계에 있을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 보호가스 냉각 시스템은, 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치, 상기 보호가스 노즐부로의 상기 보호가스를 공급하는 제1 가스공급부, 상기 냉각 노즐부로의 상기 제1 냉각가스를 공급하는 제2 가스공급부 및 상기 트레일링 노즐부로의 상기 제2 냉각가스를 공급하는 제3 가스공급부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 보호가스 냉각 시스템은, 상기 제1 가스공급부는, 상기 보호가스를 수용하는 제1 가스수용부 및 상기 제1 가스수용부로부터 상온의 상기 보호가스를 상기 보호가스 노즐부로 공급하는 제1 공급라인을 구비하고, 상기 제2 가스공급부는, 상기 제1 냉각가스를 수용하는 제2 가스수용부, 상기 제2 가스수용부에 수용된 상기 제1 냉각가스를 냉각하는 제1 냉각부 및 상기 제1 냉각부에 의해 냉각된 상기 제1 냉각가스를 상기 냉각 노즐부로 공급하는 제2 공급라인을 구비하며, 상기 제3 가스공급부는, 상기 제2 냉각가스를 수용하는 제3 가스수용부, 상기 제3 가스수용부에 수용된 상기 제2 냉각가스를 냉각하는 제2 냉각부 및 상기 제2 냉각부에 의해 냉각된 상기 제2 냉각가스를 상기 트레일링 노즐부로 공급하는 제3 공급라인을 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 보호가스 냉각 시스템은, 상기 제1 냉각부 및 상기 제2 냉각부와 연결된 채, 상기 제1 냉각부 및 상기 제2 냉각부의 냉각 효율이 유지되도록, 열교환하는 히트펌프를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 용접 금속이 대기중으로의 노출에 따른 표면 산화 및 질화를 방지하여, 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 냉각 노즐부를 통해 분사되는 냉각가스를 통해 1차적으로 용접 금속을 냉각시키고, 트레일링 노즐부를 통해 분사되는 냉각가스를 통해 2차적으로 용접 금속을 냉각시킴과 동시에 대기로부터 차폐시켜, 적층 중인 용접 금속의 용락이나 흘러내림을 방지하는 효과가 있다.

또한, 기존의 GMAW 프린팅 공정을 보다 정교하게 수행할 수 있음은 물론 불필요한 소재의 낭비를 최소화하여 경제적인 측면에서도 우수하고, 프린팅 공정에 소요되는 시간을 단축하여 생산성을 증대시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 트레일링 노즐을 설명하기 위한 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 제어부를 설명하기 위한 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호가스 냉각 시스템을 설명하기 위한 개략도.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치를 도시한 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치(1, 이하 냉각 장치)는, 기 설정된 경로를 따라 위치 이동하며, 공급된 용접 금속을, 아크(A) 용접 방식을 통해 패드(P)에 적층하여 입체 구조체를 제작하는 3D 프린터의 노즐 장치(2)에 장착될 수 있다.

상기 냉각 장치(1)는, 보호가스 노즐부(10), 냉각 노즐부(20) 및 트레일링 노즐부(30)를 포함할 수 있다.

상기 보호가스 노즐부(10)는, 공급된 용접 금속을 배출하는 공급관(3)이 형성된 상기 노즐 장치(2)를 포위한 채, 상기 패드(P)를 향해 보호가스(G0)를 분사하여 상기 패드(P)와 상기 공급관(3) 사이에 발생된 아크(A)를 보호할 수 있다.

상기 냉각 노즐부(20)는, 상기 보호가스 노즐부(10)를 포위한 채, 상기 패드(P)를 향해 제1 냉각가스(G1)를 분사하여 상기 아크(A)에 의해 용융된 용접 금속을 냉각시킬 수 있다.

상기 트레일링 노즐부(30)는, 상기 냉각 노즐부(20)를 포위한 채, 상기 패드(P)를 향해 제2 냉각가스(G2)를 분사하여 상기 경로를 따라 적층된 용접 금속의 잔류 열을 낮추고, 적층된 용접 금속을 대기로부터 차폐시킬 수 있다

상기 냉각 장치(1)는, 상기 노즐 장치(2)를 기준으로, 상기 보호가스 노즐부(10), 상기 냉각 노즐부(20) 및 상기 트레일링 노즐부(30)가 포위하여, 적층된 구조일 수 있다.

상기 냉각 노즐부(20)는, 상기 노즐 장치(2)에 장착되며, 상기 제1 냉각가스(G1)의 분사 단면적이 일정한 제1 경로부(21) 및 상기 제1 경로부(21)의 끝단에, 상기 보호가스 노즐부(10)로부터 멀어지는 방향으로 굴곡지게 형성되는 제1 굴곡부(23)를 구비한다.

상기 제1 경로부(21)는, 상기 노즐 장치(2)의 길이 방향을 따라 형성된 채, 내부에 중공이 형성되어 제1 냉각가스(G1)가 이동되는 통로를 제공할 수 있다.

상기 제1 굴곡부(23)는, 상기 제1 냉각가스(G1)의 확산을 유도하고, 상기 패드(P) 상에 적층된 용접 금속을 냉각시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 굴곡부(23)는, 상기 제1 경로부(21)보다 큰 분사 단면적을 갖고 있으므로, 상기 제1 경로부(21)를 따라 일정한 속도로 이동중인, 제1 냉각가스(G1)의 속도가 줄어들게 된다. 이에 따라 방향성을 갖고 진행 중인, 제1 냉각가스(G1)의 확산을 유도하여, 보다 넓은 범위로 상기 패드(P)를 커버할 수 있다.

본 발명의 도면에서는 상기 제1 굴곡부(23)가 상기 제1 경로부(21)의 끝단으로부터 절곡되어 형성된 것으로 도시되었으나, 상기 제1 경로부(21)와의 경계가 라운드지게 형성되어도 무방하다.

또한, 상기 제1 냉각가스(G1)의 제1 굴곡부(23)에 의한 속도 감소는, 아크(A)를 보호하고 있는 보호가스(G0)의 흐름 방해를 최소화할 수 있다.

만약, 일정 속도로 진행되는 제1 냉각가스(G1)가 제1 굴곡부(23)에 의해 속도가 감소하지 않고, 진행하면, 진행 방향을 방해하는 상기 패드(P)와의 충돌에 의해 와류가 생길 수 있으며, 이는 보호가스(G0)의 확산을 촉진하여 아크(A)의 보호에 취약할 수 있으나, 본 발명은 이를 최소화하기 위하여 제1 굴곡부(23)를 통해 제1 냉각가스(G1)의 속도를 줄이는 것이다.

정리하면, 상기 냉각 노즐부(20)는, 상기 제1 냉각가스(G1)가 상기 제1 경로부(21)를 통해 제1 분사속도로 분사되는 중에, 분사 단면적이 확대되는 상기 제1 굴곡부(23)에서 상기 제1 분사속도가 줄어들도록 하여, 상기 제1 냉각가스(G1)의 상기 패드(P)와의 접촉에 따른 와류 발생이 감소되도록 할 수 있다.

한편, 상기 트레일링 노즐부(30)는, 상기 노즐 장치(2)에 장착되되, 상기 제2 냉각가스(G2)의 분사 단면적이 일정한 제2 경로부(31) 및 상기 제2 경로부(31)의 끝단에, 상기 보호가스 노즐부(10)로부터 멀어지는 방향으로 굴곡지게 형성되는 제2 굴곡부(33)를 구비할 수 있다.

상기 제2 경로부(31)는, 상기 제1 경로부(21)의 길이 방향을 따라 형성된 채, 내부에 중공이 형성되어 제2 냉각가스(G2)가 이동되는 통로를 제공할 수 있다.

상기 제2 굴곡부(33)는, 상기 제2 냉각가스(G2)의 확산을 유도함으로써 차폐 범위가 확대되도록 할 수 있다.

구체적으로, 상기 제2 굴곡부(33)는, 상기 제2 경로부(31)보다 큰 분사 단면적을 갖고 있으므로, 상기 제2 경로부(31)를 따라 일정한 속도로 이동중인, 제2 냉각가스(G2)의 속도가 줄어들게 된다. 이에 따라 방향성을 갖고 진행 중인, 제2 냉각가스(G2)의 확산을 유도하여, 보다 넓은 범위로 상기 패드(P)를 커버하여, 상기 패드(P)에 적층된 용접 금속이 대기로 노출되는 것을 지연할 수 있다.

본 발명의 도면에서는 상기 제2 굴곡부(33)가 상기 제2 경로부(31)의 끝단으로부터 절곡되어 형성된 것으로 도시되었으나, 상기 제2 경로부(31)와의 경계가 라운드지게 형성되어도 무방하다.

상기 제1 굴곡부(23)의 굴곡률은, 상기 제2 굴곡부(33)의 굴곡률보다 작을 수 있다.

다시 말해, 상기 제1 굴곡부(23)의 상기 제1 경로부(21)로부터의 변형된 정도는, 상기 제2 굴곡부(33)의 상기 제2 경로부(31)로부터의 변형된 정도보다 작을 수 있다.

이는, 상기 제1 굴곡부(23)에 의한 상기 제1 냉각가스(G1)의 확산 정도보다 상기 제2 굴곡부(33)에 의한 상기 제2 냉각가스(G2)의 확산 정도가 클 수 있다는 것을 의미한다.

물론, 여기서 상기 제1 냉각가스(G1)의 분사속도와 상기 제2 냉각가스(G2)의 분사속도가 동일한 경우에 해당된다.

상기 냉각 노즐부(20)는, 상기 패드(P)에 적층된 용접 금속의 급속 냉각을 위한 구성요소이며, 상기 트레일링 노즐부(30)는, 상기 패드(P)에 적층된 용접 금속의 잔류 열을 냉각하는 동시에 용접 금속의 대기와의 차폐를 위한 구성요소이다.

이에 따라, 상기 제2 굴곡부(33)는, 상기 제1 굴곡부(23)보다 크게 변형되어, 가스의 확산을 유도함으로써, 보다 넓은 범위의 용접 금속의 차폐를 구현할 수 있다.

또한, 상기 트레일링 노즐부(30)는, 상기 제2 냉각가스(G2)가 상기 제2 경로부(31)를 통해 제2 분사속도로 분사되는 중에, 분사 단면적이 확대되는 상기 제2 굴곡부(33)에서 상기 제2 분사속도가 줄어들도록 하여, 상기 제2 냉각가스(G2)의 상기 패드(P)와의 접촉에 따른 와류 발생이 감소되도록 할 수 있다.

한편, 본 발명의 용접 금속은 Ti 일 수 있다. Ti 는 산소 및 질소와의 반응성이 매우 뛰어나 용접 시, 용접 금속의 대기 차폐가 중요하다. 특히, Ti 용접 금속의 표면 온도를 약 300℃까지 냉각시키지 않고, 대기 중에 노출되면, 표면에서 산화 및 질화가 빠르게 진행될 수 있다.

만약, Ti 용접은 용접 금속의 표면 온도를 300℃까지 냉각되지 못하면, 용접 금속의 표면색이 갈색을 띄기 시작하면서, 불량품이 제조될 수 있다.

상기 트레일링 노즐부(30)는, 상기 냉각 노즐부(20)에서 분사된 제1 냉각가스(G1)를 보완하고, 상기 노즐 장치(2)의 위치 이동에 따른, 냉각 범위를 확장시켜 용접 금속의 잔류열을 낮추고, 차폐 범위를 확장시켜 용접 금속과 대기와의 접촉을 지연시킬 수 있다.

한편, 상기 제1 냉각가스(G1)의 온도는, 상기 노즐 장치(2)가 직선 운동하는 구간에서는 제1 온도로 유지될 수 있으며, 상기 노즐 장치(2)가 곡선 운동하는 구간에서는 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 유지될 수 있다.

여기서, 상기 제2 온도는, 상기 노즐 장치(2)의 위치 이동 방향의 변화율과 비례 관계에 있을 수 있다.

구체적으로, 상기 노즐 장치(2)가 이동되는 경로는, 특정 소프트웨어에 의해서 작성된 3차원 설계도에 기초하여, 설정되는 것으로, 상기 패드(P) 상에 직선 이동 및 곡선 이동을 포함할 수 있다.

상기 노즐 장치(2)의 위치 이동 중, 직선 운동하는 구간에서는 일정 영역을 일정한 시간 내에 이동할 수 있으나, 곡선 운동하는 구간에서는 곡선 운동의 궤도 상에서 중복되어 열이 집중되는 영역이 생길 수 있으므로, 이에 따른 용접 금속의 과열을 방지하기 위하여 제1 냉각가스(G1)의 온도를 더 낮추는 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 트레일링 노즐을 설명하기 위한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치의 제어부를 설명하기 위한 블록도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 트레일링 노즐부(30)는, 상기 냉각 노즐부(20)의 외주면을 따라 구획된 분사공간을 제공하는 복수개의 분사노즐(35)을 구비할 수 있다.

상기 복수개의 분사노즐(35)은, 8개일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 복수개의 분사노즐(35)은, 상기 노즐 장치(2)의 위치 이동 방향의 가변성에 따라 분할된 개수를 달리할 수 있다.

구체적으로, 상기 노즐 장치(2)의 위치 이동 방향의 변화율이 클수록 분사노즐(35)의 개수는 증가하고, 위치 이동 방향의 변화율이 작을수록 분사노즐(35)의 개수는 감소할 수 있다.

상기 트레일링 노즐부(30)는, 상기 노즐 장치(2)가 기 설정된 경로를 따라 위치 이동되는 중에, 상기 노즐 장치(2)의 위치 이동 방향의 반대 방향에 위치한 분사노즐(35)이 활성화되어, 용접 금속의 대기로부터의 차폐 효율을 높일 수 있다.

구체적으로, 상기 노즐 장치(2)가 이동되면서, 가열된 용접 금속은, 상기 노즐 장치(2)가 움직인 경로를 따라 발생하며, 이는 상기 노즐 장치(2)의 이동 방향의 반대 방향으로 형성될 수 있다.

이에 따라, 상기 트레일링 노즐부(30)는, 상기 노즐 장치(2)의 이동 방향의 반대 방향으로 상기 제2 냉각가스(G2)를 분사하여, 상기 노즐 장치(2)에 의해 가열된 용접 금속 및 패드(P)를 냉각시킴과 동시에 대기로부터 차폐시킬 수 있다.

이를 구현하기 위해, 상기 트레일링 노즐부(30)는, 복수개의 분사노즐(35) 각각의 개폐 여부를 결정하는 솔레노이드 밸브(36)를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 냉각 장치(1)는, 상기 노즐 장치(2)의 방향 전환 정도를 감지하는 감지부(37) 및 상기 감지부(37)에 의해 감지된 결과를 기초로, 상기 솔레노이드 밸브(36)를 개폐하는 제어부(38)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 제어부(38)는, 상기 노즐 장치(2)의 이동 방향을 감지하는 감지부(37)를 통해 개방되어야 할 상기 트레일링 노즐부(30)의 분사노즐(35)을 결정하고, 결정된 분사노즐(35)과 연결된 솔레노이드 밸브(36)를 개방하여, 이를 구현할 수 있다.

여기서, 개방된 솔레노이드 밸브 외의 솔레노이드 밸브는 폐쇄될 수 있다.

이는, 상기 트레일링 노즐부(30)에 의한 제2 냉각가스(G2)의 무분별한 사용을 방지하여, 제2 냉각가스(G2)를 절약하며, 또한 방사형으로 사용된 제2 냉각가스(G2)에 의한 와류 발생을 방지하여, 아크(A)를 보호하는 보호가스(G0)가 그 역할을 수행할 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호가스 냉각 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 보호가스 냉각 시스템은, 도 1 내지 도 3을 참조로 한 냉각장치, 상기 보호가스 노즐부(10)로의 상기 보호가스(G0)를 공급하는 제1 가스공급부(40), 상기 냉각 노즐부(20)로의 상기 제1 냉각가스(G1)를 공급하는 제2 가스공급부(50), 상기 트레일링 노즐부(30)로의 상기 제2 냉각가스(G2)를 공급하는 제3 가스공급부(60)를 포함할 수 있다.

상기 제1 가스공급부(40)는, 상기 보호가스(G0)를 수용하는 제1 가스수용부(41) 및 상기 제1 가스수용부(41)로부터 상온의 상기 보호가스(G0)를 상기 보호가스 노즐부(10)로 공급하는 제1 공급라인(43)을 구비할 수 있다.

상기 제2 가스공급부(50)는, 상기 제1 냉각가스(G1)를 수용하는 제2 가수스용부, 상기 제2 가스수용부(51)에 수용된 상기 제1 냉각가스(G1)를 냉각하는 제1 냉각부(53) 및 상기 제1 냉각부(53)에 의해 냉각된 상기 제1 냉각가스(G1)를 상기 냉각 노즐부(20)로 공급하는 제2 공급라인(55)을 구비할 수 있다.

상기 제3 가스공급부(60)는, 상기 제2 냉각가스(G2)를 수용하는 제3 가스수용부(61), 상기 제3 가스수용부(61)에 수용된 상기 제2 냉각가스(G2)를 냉각하는 제2 냉각부(63) 및 상기 제2 냉각부(63)에 의해 냉각된 상기 제2 냉각가스(G2)를 상기 트레일링 노즐부(30)로 공급하는 제3 공급라인(65)을 구비할 수 있다.

또한, 본 발명의 보호가스 냉각 시스템은, 상기 제1 냉각부(53) 및 상기 제2 냉각부(63)와 연결된 채, 상기 제1 냉각부(53) 및 상기 제2 냉각부(63)의 냉각 효율이 유지되도록, 열교환하는 히트펌프(70)를 더 포함할 수 있다.

상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.

1: 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치
2: 노즐 장치
3: 공급관
G0: 보호가스
G1: 제1 냉각가스
G2: 제2 냉각가스
A: 아크
P: 패드
10: 보호가스 노즐부
20: 냉각 노즐부
30: 트레일링 노즐부
37: 감지부
38: 제어부
40: 제1 가스공급부
50: 제2 가스공급부
60: 제3 가스공급부
70: 히트펌프

Claims

기 설정된 경로를 따라 위치 이동하며, 공급된 용접 금속을, 아크 용접 방식을 통해 패드에 적층하여 입체 구조체를 제작하는 3D 프린터의 노즐 장치에 장착되는 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치에 있어서,
공급된 용접 금속을 배출하는 공급관이 형성된 상기 노즐 장치를 포위한 채, 상기 패드를 향해 보호가스를 분사하여 상기 패드와 상기 공급관 사이에 발생된 아크를 보호하는 보호가스 노즐부;
상기 보호가스 노즐부를 포위한 채, 상기 패드를 향해 제1 냉각가스를 분사하여 상기 아크에 의해 용융된 용접 금속을 냉각시키는 냉각 노즐부; 및
상기 냉각 노즐부를 포위한 채, 상기 패드를 향해 제2 냉각가스를 분사하여 상기 경로를 따라 적층된 용접 금속의 잔류 열을 낮추고, 적층된 용접 금속을 대기로부터 차폐시키는 트레일링 노즐부;를 포함하고,
상기 냉각 노즐부는,
상기 노즐 장치에 장착되며, 상기 제1 냉각가스의 분사 단면적이 일정한 제1 경로부 및 상기 제1 경로부의 끝단에, 상기 보호가스 노즐부로부터 멀어지는 방향으로 굴곡지게 형성되는 제1 굴곡부를 구비하며,
상기 제1 굴곡부는, 상기 제1 냉각가스의 확산을 유도하고, 상기 패드 상에 적층된 용접 금속을 냉각시키는 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치.
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제1항에 있어서,
상기 냉각 노즐부는,
상기 제1 냉각가스가 상기 제1 경로부를 통해 제1 분사속도로 분사되는 중에, 분사 단면적이 확대되는 상기 제1 굴곡부에서 상기 제1 분사속도가 줄어들도록 하여, 상기 제1 냉각가스의 상기 패드와의 접촉에 따른 와류 발생이 감소되도록 하는 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치.
제3항에 있어서,
상기 트레일링 노즐부는,
상기 노즐 장치에 장착되되, 상기 제2 냉각가스의 분사 단면적이 일정한 제2 경로부 및 상기 제2 경로부의 끝단에, 상기 보호가스 노즐부로부터 멀어지는 방향으로 굴곡지게 형성되는 제2 굴곡부를 구비하며,
상기 제2 굴곡부는, 상기 제2 냉각가스의 확산을 유도함으로써 차폐 범위가 확대되도록 하는 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치.
제4항에 있어서,
상기 트레일링 노즐부는,
상기 제2 냉각가스가 상기 제2 경로부를 통해 제2 분사속도로 분사되는 중에, 분사 단면적이 확대되는 상기 제2 굴곡부에서 상기 제2 분사속도가 줄어들도록 하여, 상기 제2 냉각가스의 상기 패드와의 접촉에 따른 와류 발생이 감소되도록 하며,
상기 제1 굴곡부의 굴곡률은, 상기 제2 굴곡부의 굴곡률보다 작고,
상기 제1 냉각가스의 온도는,
상기 노즐 장치가 직선 운동하는 구간에서는 제1 온도로 유지되며, 상기 노즐 장치가 곡선 운동하는 구간에서는 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 유지되며,
상기 제2 온도는,
상기 노즐 장치의 위치 이동 방향의 변화율과 비례 관계에 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치.
제1항에 있어서,
상기 트레일링 노즐부는,
상기 냉각 노즐부의 외주면을 따라 구획된 분사공간을 제공하는 8개의 분사노즐;
상기 복수개의 분사노즐 각각의 개폐 여부를 결정하는 솔레노이드 밸브;
상기 노즐 장치의 방향 전환 정도를 감지하는 감지부; 및
상기 감지부에 의해 감지된 결과를 기초로, 상기 솔레노이드 밸브를 개폐하는 제어부;를 구비하며,
상기 노즐 장치가 기 설정된 경로를 따라 위치 이동되는 중에, 상기 노즐 장치의 위치 이동 방향의 반대 방향에 위치한 분사노즐이 활성화되어, 용접 금속의 대기로부터의 차폐 효율을 높이는 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치.
제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 3D 프린팅을 위한 보호가스 장치;
상기 보호가스 노즐부로의 상기 보호가스를 공급하는 제1 가스공급부;
상기 냉각 노즐부로의 상기 제1 냉각가스를 공급하는 제2 가스공급부;
상기 트레일링 노즐부로의 상기 제2 냉각가스를 공급하는 제3 가스공급부;를 포함하고,
상기 제1 가스공급부는,
상기 보호가스를 수용하는 제1 가스수용부 및 상기 제1 가스수용부로부터 상온의 상기 보호가스를 상기 보호가스 노즐부로 공급하는 제1 공급라인을 구비하고,
상기 제2 가스공급부는,
상기 제1 냉각가스를 수용하는 제2 가스수용부, 상기 제2 가스수용부에 수용된 상기 제1 냉각가스를 냉각하는 제1 냉각부 및 상기 제1 냉각부에 의해 냉각된 상기 제1 냉각가스를 상기 냉각 노즐부로 공급하는 제2 공급라인을 구비하며,
상기 제3 가스공급부는,
상기 제2 냉각가스를 수용하는 제3 가스수용부, 상기 제3 가스수용부에 수용된 상기 제2 냉각가스를 냉각하는 제2 냉각부 및 상기 제2 냉각부에 의해 냉각된 상기 제2 냉각가스를 상기 트레일링 노즐부로 공급하는 제3 공급라인을 구비하며,
상기 제1 냉각부 및 상기 제2 냉각부와 연결된 채, 상기 제1 냉각부 및 상기 제2 냉각부의 냉각 효율이 유지되도록, 열교환하는 히트펌프;를 더 포함하는 보호가스 냉각 시스템.
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