KR102307599B1 - 3차원 인쇄 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치는, 특정 색상을 가진 겔 상태의 소재 잉크가 저장되는 다수의 소재 탱크; 상면에 인쇄 대상물이 적층 형성되는 빌드 트레이; 상기 소재 잉크를 상기 빌드 트레이 상에 분사하는 다수의 프리터 헤드로 이루어지는 헤드 유닛; 상기 소재 탱크와 상기 헤드 유닛 사이의 잉크 유로 상에 배치되고, 상기 다수의 소재 탱크로부터 공급되는 상기 소재 잉크를 혼합하는 믹싱 탱크; 상기 다수의 소재 탱크들 각각과 상기 믹싱 탱크를 연결하는 제 1 공급 튜브; 및 상기 믹싱 탱크와 상기 헤드 유닛을 연결하는 제 2 공급 튜브를 포함할 수 있다.

Description

3차원 인쇄 장치{Printing apparatus for building three-dimensional object}
본 발명은 3차원 인쇄 장치에 관한 것이다.
최근에 각광받기 시작한 3차원 인쇄 기술은 전통적인 대량 생산방식에서 요구되던 금형이 전혀 필요하지 않을 뿐 아니라, 금형에서 성형하기 위하여 필요했던 제약 조건들이 사라짐에 따라 제품의 형상에 대한 자유도가 크게 향상되기에 이르렀다. 예를 들어, 사출 금형을 이용하여 제품을 생산하는 경우, 제품이 금형에서 추출되기 위해서는 언더컷이 없어야 하며, 일정 각도의 빼내기 경사(draft angle)가 있어야 했다. 그리고, 공간적으로 얽혀있는 복잡한 형상은 금형으로 달성할 수 없는 단점 중의 하나이다.
그러나, 3차원 인쇄를 통하여, 금형을 이용한 대량 생산 방식에서 성형이 불가능했던 부품 형상 뿐만 아니라, 심지어 조립된 상태로도 성형이 가능하게 되어, 다양한 조건을 가진 부품의 제조가 가능해졌다.
이와 같이, 3차원 인쇄 기술은 형태의 접근 방법과 제품의 생산에서 급진적인 변화를 가져와서 목업(mock-up)이나 시제품(prototype)의 제작 시 어려움을 거의 대부분 해결하였다.
상기 3차원 인쇄 기술은 공정에 따라서, 광경화 즉청 방식(Photocuring process)과, 레이저 소결 적층 방식(Sintering process), 용융 적층(또는 수지 압축 적층) 방식(Fused Depositioin Modeling :FDM), 잉크젯 적층 방식(Color Jetting Printing), 광경과 방식과 잉크젯 방식의 혼합 형태인 폴리젯 적층 방식(Multi Jetting Printing 또는 Polyjet), 및 박막 적층 방식(LOM, PLT, PSL) 등으로 나뉠 수 있다.
또한, 인쇄에 사용되는 재료의 상(像)에 따라서, 고상형(solid), 액상형(liquid) 및 분말형(power)으로 나뉠 수 있다. 상세히, 상기 고상형은 상기 용융 적층 방식 프린터에 주로 사용되는 소재이며, 주원료로 열가소성 수지인 PLA(Poly Lactic Acid), ABS 수지(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene resin), 스티렌(Styrene) 등이 필라멘트 형태로 가공되어 사용된다.
그리고, 액상형은 겔타입 소재로서, 광경화방식에 많이 사용되는 형태이고, 분말형은 소결 방식 중의 하나인 SLS(Selective Laser Sintering) 방식 프린터에 사용되며, 레이저에 의해 소결되는 분말 형태의 고분자나 메탈 소재가 주 원료이다.
도 1은 종래의 잉크젯 적층 방식 또는 폴리젯 적층 방식 3D 컬러 프린터의 잉크 공급 구조를 보여주는 시스템도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 3D 컬러 인쇄 장치는, 다양한 색상의 잉크가 담긴 다수의 소재 탱크(3)와, 상기 다수의 소재 탱크(3) 각각에 연결되어 소재 잉크를 배출하는 다수의 공급 펌프(4)와, 상기 다수의 공급 펌프(4)들 각각에 연결되는 다수의 보조 탱크(2) 및 상기 다수의 보조 탱크(2)에 연결되는 헤드 유닛(1)을 포함한다.
상세히, 상기 헤드 유닛(1)은 다수의 프린터 헤드(1a,1b,1c)를 포함하고, 상기 다수의 보조 탱크(2) 각각은 하나 또는 다수의 프린터 헤드(1a,1b,1c)에 연결된다. 그리고, 하나의 프린터 헤드는 하나의 보조 탱크와 연결된다.
따라서, 두 가지 이상의 잉크를 섞어서 만들어지는 색상을 분사하여 적층 인쇄하기 위해서는 해당 색상의 소재 탱크와 연결된 프린터 헤드만 동작하고, 다른 프린터 헤드들은 동작하지 않는다. 즉, 특정 색상을 만드는데 필요한 소재 탱크와 연결된 프린터 헤드의 노즐에서만 잉크가 분사되고, 다른 프린터 헤드들의 노즐에서는 잉크가 분사되지 않는다.
따라서, 다수의 프린터 헤드로 이루어지는 헤드 유닛이라 하더라도, 상기 헤드 유닛을 구성하는 모든 프린터 헤드들이 인쇄 작업에 참여하는 것이 아니기 때문에, 인쇄 속도가 지연되는 단점이 있다.
뿐만 아니라, 휴지기에 있는 프린터 헤드들의 노즐에 묻어 있는 잉크가 굳거나 경화되어 노즐이 막히는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 인쇄 대상물에 표현되는 색상들의 양에 따라 다수의 프린터 헤드들의 사용 빈도가 달라질 수 있고, 그에 따라 프린터 헤드들의 수명이 서로 달라질 수 있다. 그 결과, 일부 정상 작동하는 프린터 헤드가 있더라도 교체가 요구되는 프린터 헤드 때문에 헤드 유닛을 자주 교체해야 하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 제안되었다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치는, 특정 색상을 가진 겔 상태의 소재 잉크가 저장되는 다수의 소재 탱크; 상면에 인쇄 대상물이 적층 형성되는 빌드 트레이; 상기 소재 잉크를 상기 빌드 트레이 상에 분사하는 다수의 프린터 헤드로 이루어지는 헤드 유닛; 상기 소재 탱크와 상기 헤드 유닛 사이의 잉크 유로 상에 배치되고, 상기 다수의 소재 탱크로부터 공급되는 상기 소재 잉크를 혼합하는 믹싱 탱크; 상기 다수의 소재 탱크들 각각과 상기 믹싱 탱크를 연결하는 제 1 공급 튜브; 및 상기 믹싱 탱크와 상기 헤드 유닛을 연결하는 제 2 공급 튜브를 포함고, 상기 제 1 공급 튜브는, 상기 다수의 소재 탱크들과 연결되어, 잉크가 흐르는 다수의 잉크 공급 튜브와, 세척액이 흐르는 세척액 공급 튜브를 포함한다.
상기와 같은 구성을 이루는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 헤드 유닛을 구성하는 다수의 프린터 헤드들이 동시에 인쇄 과정에 참여하기 때문에, 종래의 잉크젯 방식 3D 프린터에 비하여 인쇄 속도가 빨라지는 장점이 있다.
둘째, 헤드 유닛을 구성하는 모든 프린터 헤드들이 동시에 사용되고 중지되므로, 특정 프린터 헤드의 노즐이 막히거나 경화되는 현상이 발생하지 않는 장점이 있다.
셋째, 헤드 유닛을 구성하는 모들 프린터 헤드들의 수명이 균일하게 유지되므로, 헤드 유닛의 교체 수명이 종래의 잉크젯 방식 3D 프린터보다 길어지는 장점이 있다.
도 1은 종래의 잉크젯 적층 방식 또는 폴리젯 적층 방식 3D 컬러 프린터의 잉크 공급 구조를 보여주는 시스템도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치의 외관 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치의 동작 원리를 설명하는 인쇄 장치 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치의 잉크 혼합 메카니즘을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치에 구비되는 믹싱 탱크의 사시도.
도 6은 도 5의 VI-VI을 따라 절개되는 종단면 절개도.
도 7은 도 5의 VII-VII를 따라 절개되는 종단면 절개도.
도 8은 도 5의 VIII-VIII를 따라 절개되는 횡단면 절개도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치의 잉크 혼합 메카니즘을 보여주는 구성도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 믹싱 탱크를 포함하는 잉크 혼합 메카니즘을 보여주는 도면.
도 11은 도 10의 XI-XI를 따라 절개되는 횡단면도.
도 12는 믹싱 탱크 내부의 잉크 색상 변경을 위한 믹싱 탱크 청소 과정을 보여주는 플로차트.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치의 외관 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치의 동작 원리를 설명하는 인쇄 장치 구성도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치(10)는, 외형을 이루는 프레임(11)과, 상기 프레임(11)을 상하로 구획하는 베이스 플레이트(12)와, 상기 베이스 플레이트(12)의 상측에서 상기 인쇄 장치(10)의 전후 방향(y축 방향)으로 이동하고, 상면에 인쇄 대상 물체(builiding object)가 적층되는 빌드 트레이(build tray)(13)와, 상기 베이스 플레이트(120의 상측에서 상기 인쇄 장치(10)의 좌우 방향(x축 방향) 및 상하 방향(z축 방향)으로 이동하면서 상기 빌드 트레이(13) 상에 인쇄 대상 물체를 적층시키는 프린팅 모듈(printing module)(20)과, 상기 베이스 플레이트(12)의 하측 공간에 수납되는 다수의 소재 탱크(26) 및 상기 프린팅 모듈(20)의 동작을 포함하는 상기 인쇄 장치(10)의 제어를 총괄하는 제어 박스(16)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 프린팅 모듈(20)은 x축 이동 가이드부(15)와 z축 이동 가이드부(14)에 의하여 x축 방향 및 z축 방향으로 이동 가능하다.
한편, 상기 프린팅 모듈(20)은, 상기 x축 이동 가이드부(15)와 z축 이동 가이드부(14)에 연결되는 헤드 캐리지(head carriage)(21)와, 상기 헤드 캐리지(21)의 내부 바닥면에 장착되는 헤드 유닛(22)과, 상기 헤드 유닛(22)의 상측에 해당하는 상기 헤드 캐리지(21)의 내부에 장착되는 믹싱 탱크(mixing tank)(30)와, 상기 헤드 유닛(22)의 좌측과 우측에 장착되는 경화 램프(24) 및 상기 헤드 캐리지(21)의 하측에 해당하는 상기 베이스 플레이트(12)의 상면에 놓이는 메인터넌스 유닛(maintenance unit)(23)을 포함할 수 있다.
상세히, 상기 헤드 유닛(22)은 다수 개의 프린터 헤드가 x축 방향으로 배열되어 하나의 모듈을 형성하고, 상기 헤드 유닛(22)을 구성하는 각각의 프린터 헤드의 저면에는 다수 개의 노즐이 상기 프린터 헤드의 길이 방향으로 배열된다. 여기서, 상기 헤드 유닛(22)은, 노즐을 통하여 분사되는 소재의 종류와 형태를 제외하고 기존의 2D 잉크젯 프린터에 장착되는 프린터 헤드와 구성이 동일하다고 할 수 있다.
상기 믹싱 탱크(30)는 3차원 인쇄 대상물이 컬러 입체일 경우, 다수의 컬러 잉크를 혼합하기 위한 수단으로서, 상기 다수의 소재 탱크(26)에서 각각 공급되는 서로 다른 색상의 잉크가 상기 믹싱 탱크(30) 내부로 공급된 후 혼합되어 원하는 색상이 만들어진다. 그리고, 상기 믹싱 탱크(30)에서 생성된 새로운 색상의 잉크는 상기 헤드 유닛(22)을 구성하는 다수의 프린터 헤드로 분배된다. 상기 믹싱 탱크(30)는 도시된 바와 같이 다수 개가 상기 헤드 캐리지(21)의 내부에 장착될 수도 있으나, 단일의 믹싱 탱크(30)가 제공되는 것도 가능하다. 상기 믹싱 탱크(30) 내부에는 다수의 소재 탱크(26)에서 공급되는 잉크들을 혼합하기 위한 교반 부재(agitator)가 장착될 수 있다. 그리고, 상기 소재 탱크(26)와 상기 믹싱 탱크(30) 사이에는 공급 펌프(27)가 장착되어, 상기 소재 탱크(26)에 저장된 유색 잉크가 상기 믹싱 탱크(30)로 원활하게 공급되도록 할 수 있다. 그리고, 상기 믹싱 탱크(30)는 도시된 바와 같이 2개 또는 그 이상이 장착될 수도 있으나, 크기가 상대적으로 큰 단일의 믹싱 탱크(30)하나만 장착되어도 무방하다.
상기 경화 램프(24)는, 상기 헤드 유닛(22)의 노즐로부터 분사되는 잉크를 자외선으로 경화하기 위한 잉크 경화 수단으로서, 특정 주파수의 자외선이 상기 분사된 잉크 표면에 조사되어, 분사된 상기 잉크가 경화되도록 한다. 그리고, 상기 경화 램프(24)는 상기 헤드 유닛(22)의 좌측 가장자리와 우측 가장자리에 각각 장착된다. 즉, 좌측에 배치되는 경화 램프(24)에서 조사되는 자외선은 상기 헤드 유닛(22)이 좌측에서 우측 방향을 향하는 x축 방향으로 이동하면서 분사하는 잉크를 경화시키고, 우측에 애치되는 경화 램프(24)에서 조사되는 자외선은 상기 헤드 유닛(22)이 우측에서 좌측 방향을 향하는 -x축 방향으로 이동하면서 분사하는 잉크를 경화시킨다.
한편, 상기 메인터넌스 유닛(23)은, 상기 헤드 유닛(22)의 노즐을 청소하여야 하는 시기에 도달하면 작동하는 것으로서, 상기 헤드 유닛(22)의 노즐에 묻어 있는 잉크 잔여물을 깨끗이 닦아내는 기능을 한다.
상기와 같은 구성을 이루는 3차원 인쇄 장치(10)의 컨트롤 패널을 이용하여 인쇄 시작 버튼을 누르면, 상기 헤드 유닛(22)이 x축 방향으로 이동하여 상기 빌드 트레이(23)의 상측에 위치한다. 그리고, 메인 컴퓨터에서 제공되는 설계 도면에 따라 상기 소재 탱크들(26)로부터 상기 믹싱 탱크(30)로 공급되어, 설정된 색상의 잉크가 만들어진다.
그리고, 상기 헤드 유닛(22)이 ±x축 방향 및 ±z축 방향으로 이동하면서 상기 믹싱 탱크(30)에서 공급되는 잉크를 상기 빌드 트레이(13)에 분사한다. 이와 동시에 상기 빌드 트레이(13)는 ±y축 방향으로 이동하면서, 상기 빌드 트레이(13) 상면에 원하는 3차원 인쇄 대상물이 적층되도록 한다.
그리고, 인쇄 장치(10)에 전원이 인가되어 인쇄 준비 상태에서 또는 인쇄가 완료된 직후, 또는 특정 색상의 잉크가 모두 분사되고 다른 색상의 잉크로 교체되기 직전에 상기 메인터넌스 유닛(23)이 작동하여 상기 헤드 유닛(22)의 저면에 형성된 노즐들을 깨끗이 청소하도록 프로그램될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치의 잉크 혼합 메카니즘을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 도 3에서 설명한 바와 같이, 특정 색상의 잉크가 담긴 다수의 소재 탱크(26)들 각각은 제 1 공급 튜브(101)를 통하여 상기 믹싱 탱크(30)에 연결된다. 그리고, 상기 제 1 공급 튜브(101)의 어느 지점에는 상기 공급 펌프(27)가 연결되어, 상기 소재 탱크(26)로부터 상기 믹싱 탱크(30)로 소재 잉크가 원활하게 공급되도록 할 수 있다.
그리고, 상기 믹싱 탱크(30)의 일측에는 순환 펌프(40)가 장착되어, 상기 소재 탱크들(26)로부터 공급되는 여러가지 색상의 잉크들이 신속하게 혼합되도록 한다.
또한, 상기 믹싱 탱크(30)에서 혼합되어 생성된 새로운 색상의 잉크는 제 2 공급 튜브(102)를 통하여 상기 헤드 유닛(22)에 연결된다. 그리고, 상기 헤드 유닛(22)을 구성하는 다수의 프린터 헤드들에 형성된 노즐을 통하여 잉크가 분사된다.
이하에서는 상기 믹싱 탱크(30)이 구성에 대하여 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치에 구비되는 믹싱 탱크의 사시도이고, 도 6은 도 5의 VI-VI을 따라 절개되는 종단면 절개도이며, 도 7은 도 5의 VII-VII를 따라 절개되는 종단면 절개도이고, 도 8은 도 5의 VIII-VIII를 따라 절개되는 횡단면 절개도이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 믹싱 탱크(30)는, 내부에 믹싱 챔버(313)가 형성되는 탱크 바디(31)와, 상기 탱크 바디(31)의 상면을 덮는 탱크 커버(32)와, 상기 믹싱 챔버(313) 내부에 수용되어 잉크를 혼합하는 교반 부재(317)를 포함할 수 있다.
상세히, 상기 탱크 바디(31)의 일 측면에는 상기 순환 펌프(40)로 잉크를 보내기 위한 디스차지 포트(discharge port)(311)와, 상기 순환 펌프(40)에서 상기 탱크 바디(31)로 되돌아오는 잉크를 상기 믹싱 챔버(313)로 안내하기 위한 리턴 포트(return port)(312)가 형성된다.
또한, 상기 탱크 바디(31)의 외주면과 상기 믹싱 챔버(313) 사이에에 해당하는 상기 탱크 바디(31)의 내부에는 다수의 공급 유로(314)가 상기 탱크 바디(31)의 길이 방향으로 연장되며, 상기 공급 유로(314)의 단부는 상기 믹싱 챔버(313)와 연통하도록 형성된다. 예를 들어, 상기 다수의 공급 유로(314)는, 절곡부가 부드럽게 라운드지는 "L"자형 유로를 형성할 수 있다.
그리고, 상기 탱크 바디(31)의 내부에는 상기 디스차지 포트(311)와 상기 믹싱 챔버(313)를 연결하는 배출 유로(315)와, 상기 리턴 포트(312)와 상기 믹싱 챔버(313)를 연결하는 리턴 유로(316)가 수평하게 연장 형성된다. 그리고, 상기 다수의 공급 유로(314)들 중 일부는 수직하게 연장되고, 하단부가 상기 배출 유로(315) 또는 리턴 유로(316)에 연결될 수 있다.
그리고, 상기 탱크 바디(31)의 다른 일 측면에는 토출 포트(outlet port)(318)가 형성되고, 상기 토출 포트(318)는 상기 믹싱 챔버(313)의 하단부와 연통한다.
또한, 상기 탱크 바디(31)의 내부에는 상기 교반 부재(317)가 교반축(317a)을 중심으로 회전 가능하게 연결되고, 상기 교반축(317a)은 교반 모터(미도시)에 연결될 수 있다. 상기 교반 모터는 상기 탱크 바디(31)의 저면 중심에 장착되고, 모터축이 상기 탱크 바디(31)의 저면을 관통하여 상기 교반축(317a)에 연결되도록 할 수 있다. 그리고, 상기 교반 부재(317)는 프로펠러 형태 뿐만 아니라 다양한 형태의 교반 부재가 제안 가능함을 밝혀둔다.
한편, 상기 팅크 커버(31)의 상면에는 소재 탱크의 개수에 대응하는 다수의 소재 공급 포트(321)와, 세척액 공급 포트(322)가 형성된다. 그리고, 상기 다수의 소재 공급 포트(321) 및 상기 세척 공급 포트(322)는 상기 탱크 바디(31) 내부에 형성된 상기 공급 유로들(314)과 각각 연통한다. 따라서, 상기 공급 포트들(321,322)로 유입되는 소재 잉크 및 세척액은 상기 공급 유로들(314)을 통하여 상기 믹싱 챔버(313)로 안내된다.
여기서, 상기 공급 포트들(321,322)이 상기 믹싱 챔버(313)의 상면에 형성되지 않고, 상기 믹싱 챔버(313)로부터 측방으로 이격되는 지점에 형성되어, 별도의 공급 유로(314)를 통해 상기 믹싱 챔버(313)로 안내되도록 한다. 그 이유는, 잉크 공급시 기포의 발생을 최소화하기 위함이다.
상세히, 액체가 낙하하면서 낙하면에 부딪히면 여러 개의 입자로 분해되면서 기포를 발생한다. 즉, 수돗물을 틀면 세면대에 물이 참과 동시에 기포가 발생하는 것을 알 수 있다. 이와 마찬가지로, 상기 소재 잉크도 상기 믹싱 챔버(313)로 낙하하면서 기포를 발생시킨다. 그런데, 상기 소재 잉크는 물 또는 일반 2D 인쇄용 잉크보다 점도가 훨씬 높기 때문에, 입자 분해에 의하여 발생하는 기포가 잉크 외부로 원활하게 빠져나가지 못하는 문제가 발생한다. 따라서, 잉크를 상기 믹싱 탱크(313)로 공급할 때 기포 발생을 최소화할 필요가 있다. 이를 위해서, 잉크가 상기 믹싱 챔버 상면에서 낙하하도록 하지말고, 상기 공급 유로(314)를 따라 흘러내리면서 상기 믹싱 챔버(313) 내부로 유입되도록 한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치의 잉크 혼합 메카니즘을 보여주는 구성도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 인쇄 장치(10)는, 적색,청색,녹색,황색 등의 컬러 잉크들을 섞어서 새로운 색상을 만들어내고, 새로이 만들어진 잉크가 헤드 유닛(22)으로 공급되어 분사되도록 한다.
상기 탱크 커버(32)의 소재 공급 포트(321)와 세척액 공급 포트(322)에는 제 1 공급 튜브(101)가 연결된다. 그리고, 상기 세척액 공급 포트(322)에 연결되는 제 1 공급 튜브(101)는 상기 소재 탱크들과 함께 배치되는 세척액 탱크에 연결될 수 있다. 또는, 상기 세척액 탱크는 상기 소재 탱크들과 구별되는 별도의 위치에 설치될 수도 있다.
상세히, 잉크의 혼합을 위해서 상기 믹싱 탱크(30) 내부에 교반 부재(317)가 구비되는 것외에, 상기 믹싱 탱크(30) 외부에 순환 펌프(40)를 연결시켜서, 잉크가 순환하면서 혼합되도록 할 수 있다. 그러면, 잉크의 혼합 속도가 빨라지고 여러 색상의 잉크들이 균일하게 혼합되는 장점이 있다.
더욱 상세히, 상기 믹싱 탱크(30)의 디스차지 포트(311)에는 디스차지 튜브(311a)가 연결되고, 상기 디스차지 튜브(311a)의 출구단은 상기 순환 펌프(40)의 입구단에 연결된다. 그리고, 상기 믹싱 탱크(30)의 리턴 포트(312)에는 리턴 튜브(312a)가 연결되고, 상기 리턴 튜브(312a)의 입구단은 상기 순환 펌프(40)의 출구단에 연결된다.
이러한 구조에 의하면, 상기 믹싱 챔버(313)에서 혼합되고 있는 잉크의 일부가 상기 순환 펌브(40)로 흘러나갔다가 다시 상기 믹싱 챔버(313)로 되돌아오는 순환 동작과, 상기 교반 부재(317)에 의하여 잉크가 혼합되는 교반 동작이 동시에 이루어질 수 있다.
한편, 상기 리턴 튜브(312a)의 어느 지점에는 3방 밸브(3-way valve)(105)가 장착되고, 상기 3방 밸브(105)로부터 세척액 배출 튜브(107)가 연결된다.
상세히, 상기 믹싱 탱크(30)에서 생성된 혼합 색상의 잉크와 다른 색상을 가지는 혼합 잉크를 분사할 필요가 있을 경우에는, 그전에 생성된 혼합 잉크는 모두 버리고, 상기 소재 탱크들(26)로부터 잉크를 공급받아 혼합하는 과정이 새로이 수행되어야 한다.
그리고, 이전 색상의 잉크가 새로운 색상의 잉크에 혼입되어, 원하는 색상과 다른 색상이 형성되는 것을 방지하기 위하여, 상기 믹싱 챔버(313)와, 잉크 순환 유로 및 헤드 유닛(22)에 남아 있는 잉크를 모두 버리고 깨끗이 청소할 필요가 있다.
이를 위해서, 믹싱 챔버(313)에 남아 있는 잉크를 상기 순환 펌프(40)와 상기 세척액 배출 포트(107)를 통하여 인쇄 장치 외부로 배출시킨다. 그리고, 상기 세척액 공급 포트(322)로 세척액을 주입한다. 상기 세척액은 투명한 휘발성 용매일 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 상기 소재 잉크를 잘 씻어낼 수 있는 계면활성 능력이 좋은 용매이면 좋다.
상기 세척액이 상기 믹싱 챔버(313)로 설정량 공급되면, 상기 순환 펌프(40)와 상기 교반 부재(317)를 작동시켜, 믹싱 챔버(313)와, 디스차지 튜브(311a), 리턴 튜브(312a), 순환 펌프(40) 내부에 세척액이 흐르도록 한다.
그리고, 설정 시간 동안 세척액을 순환시킨 다음 상기 3방 밸브(105)의 개방을 전환시켜, 상기 세척액과 잉크의 혼합 유체가 상기 세척액 배출 튜브(107)로 흐르도록 한다. 이러한 과정을 설정 횟수만큼 반복하거나, 설정 시간 동안 반복하도록 하여, 혼합 유로가 깨끗하게 청소되도록 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 믹싱 탱크를 포함하는 잉크 혼합 메카니즘을 보여주는 도면이고, 도 11은 도 10의 XI-XI를 따라 절개되는 횡단면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 믹싱 탱크(30)는 원통 형상으로 이루어지고, 소재 탱크로부터 공급되는 잉크 또는 세척액이 상기 믹싱 탱크(30)의 측면에서 나선 형태로 공급되는 것을 특징으로 한다. 그 외 잉크의 순환 구조는 이전 실시예와 동일하므로 이에 대한 중복 설명은 생략한다.
상세히, 상기 다수의 소재 공급 포트(321)와 상기 세척액 공급 포트(322)는 상기 믹싱 탱크(30)의 측면에 둘러지고, 상기 공급 유로(314)가 상기 믹싱 탱크(30)의 바닥면을 향하여 나선형으로 연장되면서 상기 믹싱 챔버(313)에 연결된다.
이와 같이, 나선 형태로 연장되는 상기 공급 유로(314)를 따라 잉크가 공급되면, 상기 공급 유로(314)로부터 토출되는 다수의 잉크들은 관성력에 의하여 상기 믹싱 챔버(313)의 내주면을 따라 나선 형으로 회전하면서 낙하하고 서로 혼합된다. 그 결과, 와류(voltex)에 의하여 상기 잉크들의 혼합 속도가 빨라지는 장점이 있다.
도 12는 믹싱 탱크 내부의 잉크 색상 변경을 위한 믹싱 탱크 청소 과정을 보여주는 플로차트이다.
도 12를 참조하면, 상술한 바와 같이, 다수의 소재 탱크들(26)로부터 믹싱 탱크로 소재 잉크가 공급된다(S11). 그리고, 상기 믹싱 탱크로 소재 잉크의 공급이 완료되면 믹싱 과정이 수행된다(S12).
상세히, 상기 믹싱 과정에서는, 상기 믹싱 탱크(30) 내에 있는 교반 부재(317)가 회전하는 잉크 교반 동작과, 상기 순환 펌프(40)를 통하여 잉크가 믹싱 탱크(30)와 순환 펌프(40) 사이를 순환하는 잉크 순환 동작이 동시에 이루어지도록 할 수 있다. 그리고, 상기 믹싱 과정은 설정 시간 동안 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 잉크 혼합 과정이 완료되어 원하는 새로운 색상이 만들어지면, 상기 혼합된 잉크는 상기 헤드 유닛(22)으로 공급되고(S13), 상기 헤드 유닛(22)을 통하여 빌드 트레이(13)로 분사하여 3차원 인쇄 작업이 수행된다(S14). 그리고, 색상 교체 시기에 도달하였는지 여부가 상기 3차원 인쇄 장치(10)의 제어부에서 판단된다(S15).
만일, 색상 교체 시기에 도달하지 아니하였으나 인쇄가 완료되었거나 인쇄 중단 사유가 발생하였다고 제어부에서 판단하면, 인쇄 작업이 종료된다. 반면, 색상 교체 시기에 도달하지 아니하였고, 인쇄 완료 또는 인쇄 중단 사유가 발생하지 않은 경우에는 계속해서 인쇄 과정(S14)이 수행된다(S24).
상세히, 상기 제어부에서 색상 교체 시기에 도달하였다고 판단하면, 믹싱 탱크에 남아 있는 혼합 잉크를 외부로 배출시킨다(S16). 이때, 상기 헤드 유닛(22)에 남아 있는 잉크도 함께 배출시켜야 하므로, 노즐 청소 과정에서 수행되는 퍼지 과정(purge process)이 수행된다(S17). 상기 퍼지 과정은, 상기 헤드 유닛(22)에 고압으로 공기를 불어넣어서 상기 노즐을 통하여 상기 헤드 유닛(22)에 남아 있는 잉크가 외부로 배출되도록 하는 과정을 말한다.
또한, 상기 믹싱 탱크(30)에 남아 있는 잔여 잉크를 배출하기 위해서는, 상기 제 2 공급 튜브(102)로의 잉크 공급은 중단한 상태에서, 잉크가 상기 디스차지 튜브(311a)를 통하여 상기 순환 펌프(40)로 배출되도록 한다. 잉크 배출 과정에서 상기 순환 펌프(40)는 잉크 순환 기능이 아닌 잉크 배출 기능을 하는 배출 펌프로 작용한다고 할 수 있다.
상세히, 상기 순환 펌프(40)로 잉크가 배출되도록 하는 과정에서, 상기 리턴 튜브(312a)에 장착된 상기 3방 밸브(105)의 개도 조절을 통하여 잉크가 상기 세척액 배출 튜브(107)로 안내되도록 한다. 따라서, 상기 디스차지 튜브(311a)를 통하여 배출되는 잔여 잉크는 상기 세척수 배출 튜브(107)를 통하여 인쇄 장치 외부로 배출된다.
한편, 믹싱 탱크에 남아 있는 혼합 잉크가 모두 배출되면, 잉크가 묻어 있는 유로를 청소하기 위하여 상기 믹싱 탱크(30)로 세척액이 공급된다(S18). 상기 세척액은 상기 세척액 공급 포트(322)에 연결된 세척액 공급 튜브를 통하여 상기 믹싱 탱크(30) 내부로 공급될 수 있다.
그리고, 공급되는 세척액은 상기 세척액 배출 튜브(107)를 통하여 외부로 배출되도록 한다. 즉, 상기 3방 밸브(105)는 상기 세척액 배출 튜브(107)의 입구단을 개방한 상태로 유지된다. 그러면, 상기 믹싱 탱크(30)와 상기 디스차지 튜브(311a) 및 상기 순환 펌프(40) 내벽에 묻어 있는 잉크가 1차적으로 외부로 배출된다.
이와 같이, 세척액 공급 과정(S18)과 세척액 배출 과정(S19)이 설정 시간(T1) 동안 진행되어서 잔류 잉크가 어느 정도 배출되었다고 판단되면(S20), 세척액 순환 과정이 수행된다(S21).
상세히, 세척액 순환 과정이 시작되면, 상기 삼방 밸브(105)의 개도가 조절되어 상기 세척액 배출 튜브(107)의 입구단이 차폐되고 상기 리턴 튜브(312a)가 개방된다. 그리고, 세척액이 상기 믹싱 탱크(30)로 공급되고, 상기 순환 펌프(40)의 작동에 의하여, 세척액이 상기 믹싱 탱크(30)와 순환 펌프(40) 사이를 순환한다. 그리고, 설정 시간(T2)이 경과하였다고 판단되면(S22), 상기 3방 밸브(105)의 개도가 조절되어, 세척액이 상기 세척액 배출 튜브(107)를 통하여 외부로 배출되도록 한다.
이와 같이, 믹싱 탱크(30)를 깨끗히 청소하는 과정이 끝나면, 상기 소재 탱크들(26)로부터 잉크가 상기 믹싱 탱크(30)로 공급되어, 새로운 색상의 잉크를 만들어내는 과정이 수행된다.
상기 믹싱 탱크(30)가 소재 탱크(26)와 헤드 유닛(22) 사이에 별도로 제공됨으로써, 헤드 유닛(22)을 구성하는 모든 프린터 헤드들이 동시에 작동하므로, 인쇄 시간을 단축할 수 있고, 헤드 유닛(22)의 수명이 길어지는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 특정 색상을 가진 겔 상태의 소재 잉크가 저장되는 다수의 소재 탱크;
    상면에 인쇄 대상물이 적층 형성되는 빌드 트레이;
    상기 소재 잉크를 상기 빌드 트레이 상에 분사하는 다수의 프린터 헤드로 이루어지는 헤드 유닛;
    상기 소재 탱크와 상기 헤드 유닛 사이의 잉크 유로 상에 배치되고, 상기 다수의 소재 탱크로부터 공급되는 상기 소재 잉크를 혼합하는 믹싱 탱크;
    상기 다수의 소재 탱크들 각각과 상기 믹싱 탱크를 연결하는 제 1 공급 튜브; 및
    상기 믹싱 탱크와 상기 헤드 유닛을 연결하는 제 2 공급 튜브를 포함고,
    상기 제 1 공급 튜브는,
    상기 다수의 소재 탱크들과 연결되어, 잉크가 흐르는 다수의 잉크 공급 튜브와,
    세척액이 흐르는 세척액 공급 튜브를 포함하는 3차원 인쇄 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세척액 공급 튜브의 입구단에 연결되는 세척액 탱크를 더 포함하는 3차원 인쇄 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 믹싱 탱크는,
    내부에 믹싱 챔버가 형성되는 탱크 바디와,
    상기 탱크 바디의 상면을 덮는 탱크 커버, 및
    상기 믹싱 챔버 내에 수용되는 교반 부재를 포함하는 3차원 인쇄 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 믹싱 탱크는,
    상기 탱크 바디 또는 상기 탱크 커버에 형성되고, 상기 다수의 잉크 공급 튜브의 출구단이 연결되는 소재 공급 포트;
    상기 탱크 바디 또는 상기 탱크 커버에 형성되고, 상기 세척액 공급 튜브의 출구단이 연결되는 세척액 공급 포트;
    상기 공급 포트들과 상기 믹싱 챔버를 연결하는 다수의 공급 유로를 포함하는 3차원 인쇄 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수의 공급 유로는 상기 믹싱 챔버로부터 이격되는 지점에 형성되어, 상기 탱크 바디를 형성하는 벽을 관통하여 상기 믹싱 챔버와 연통하는 것을 특징으로 하는 3차원 인쇄 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 믹싱 탱크는,
    상기 탱크 바디의 일측에 형성되는 디스차지 포트;
    상기 디스차지 포트와 상기 믹싱 챔버를 연결하는 배출 유로;
    상기 탱크 바디의 다른 일측에 형성되는 리턴 포트; 및
    상기 리턴 포트와 상기 믹싱 챔버를 연결하는 리턴 유로를 더 포함하는 3차원 인쇄 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 디스차지 포트에 연결되는 디스차지 튜브와,
    상기 리턴 포트에 연결되는 리턴 튜브와,
    입구단에 상기 디스차지 튜브가 연결되고, 출구단에 상기 리턴 튜브가 연결되어, 상기 믹싱 탱크 내부의 잉크를 순환시키는 순환 펌프를 더 포함하는 3차원 인쇄 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 리턴 튜브의 어느 지점에서 분지되는 세척액 배출 튜브와,
    상기 세척액 배출 튜브가 분지되는 지점에 장착되는 3방 밸브를 더 포함하고,
    상기 순환 펌프에서 토출되는 잉크 또는 세척액은 상기 3방 밸브의 개도 조절에 의하여 상기 리턴 튜브 또는 상기 세척액 배출 튜브 중 어느 하나로 흐르는 것을 특징으로 하는 3차원 인쇄 장치.
KR1020150036178A 2015-03-16 2015-03-16 3차원 인쇄 장치 KR102307599B1 (ko)

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