KR20150077761A - 삼차원 프린터 및 그 작동 방법 - Google Patents

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KR20150077761A
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국건
정연경
한은봉
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 프린트 헤드와, 프린트 헤드에서 분사된 조형 잉크가 적층되는 스테이지를 포함한 삼차원 프린터에 관한 것으로, 프린트 헤드의 헤드 칩은 조형 잉크가 공급되는 잉크 챔버와, 잉크 챔버 내의 조형 잉크에 열을 가해 상기 잉크 챔버 내부에서 기포를 발생시키는 히터와, 기포 발생에 따라 증가한 잉크 챔버 내부의 압력에 따라 조형 잉크를 상기 스테이지로 분사하는 노즐을 포함하므로, 버블 젯 방식으로 입체인 물건을 제조할 수 있다.

Description

삼차원 프린터 및 그 작동 방법{THREE DIMENSIONAL PRINTER AND OPERATING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 입체인 물건을 제조할 수 있는 삼차원 프린터 및 를 통한 삼차원 프린팅 방법에 관한 것이다.
일반적으로 삼차원 프린터는 입체인 물건을 제조하기 위한 장치로, 조형 잉크를 분사하는 프린트 헤드와, 프린트 헤드에서 분사된 조형 잉크가 적층되는 스테이지 등의 구성을 포함한다.
이러한 삼차원 프린터에 있어서, 프린트 헤드에 마련된 헤드 칩은 조형 잉크가 공급되는 잉크 챔버와, 전원 인가에 따라 변형되며 잉크 챔버 내부의 압력을 증가시키는 압전 소자와, 압전 소자에 의해 잉크 챔버 내부의 압력이 증가됨에 따라 잉크 챔버 내의 조형 잉크를 분사하는 노즐 등의 구성을 포함한다.
이때 노즐을 통해 잉크 챔버 내부의 조형 잉크가 분사되도록 하기 위해서는 잉크 챔버 내에 충분히 큰 압력이 작용하여야만 하는데, 이를 위해서는 압전 소자가 충분히 큰 크기를 갖도록 형성되어야만 하므로, 삼차원 프린터를 작게 형성하는데에는 한계가 있다.
본 발명의 일 측면은 버블 젯 방식으로 입체인 물체를 제조할 수 있는 삼차원 프린터를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 삼차원 프린터는 적어도 하나의 프린트 헤드와, 상기 적어도 하나의 프린트 헤드에서 분사된 조형 잉크가 적층되는 스테이지를 포함하며, 상기 적어도 하나의 프린트 헤드는 조형 잉크를 분사하는 헤드 칩을 포함하며, 상기 헤드 칩은 조형 잉크가 공급되는 잉크 챔버와, 상기 잉크 챔버 내의 조형 잉크에 열을 가해 상기 잉크 챔버 내부에서 기포를 발생시키는 히터와, 상기 기포 발생에 따라 증가한 상기 잉크 챔버 내부의 압력에 따라 조형 잉크를 상기 스테이지로 분사하는 노즐을 포함한다.
또한 상기 조형 잉크는 광 경화성 조형 잉크이며, 상기 스테이지 상에 적층된 조형 잉크에 광을 조사하는 광원을 더 포함한다.
또한 상기 조형 잉크는 자외선에 의해 경화되는 자외선 경화 조형 잉크를 포함하며, 상기 광원은 발광 다이오드 타입의 자외선 램프를 포함한다.
또한 상기 적어도 하나의 프린트 헤드는 제 1 방향으로 수평 이동 가능하게 설치하고, 상기 스테이지는 제 1 방향과 직각인 제 2 방향으로 수평 이동 가능하게 설치된다.
또한 상기 적어도 하나의 프린트 헤드와 상기 스테이지 중 어느 하나는 상하로 이동 가능하게 설치된다.
또한 상기 적어도 하나의 프린트 헤드는 블랙 색상의 조형 잉크를 분사하는 제 1 프린트 헤드와, 마젠타 색상의 조형 잉크를 토출하는 제 2 프린트헤드와, 시안 색상의 조형 잉크를 분사하는 제 3 프린트 헤드와, 옐로우 색상의 조형 잉크를 분사하는 제 4 프린트 헤드 중 적어도 하나를 포함한다.
또한 상기 제 1 프린트 헤드로 블랙 색상의 조형 잉크를 공급하는 제 1 잉크 탱크와, 상기 제 2 프린트 헤드로 마젠타 색상의 조형 잉크를 공급하는 제 2 잉크 탱크와, 상기 제 3 프린트 헤드로 시안 색상의 조형 잉크를 공급하는 제 3 잉크 탱크와, 상기 제 1 프린트 헤드로 옐로우 색상의 조형 잉크를 공급하는 제 4 잉크 탱크를 더 포함한다.
또한 본 발명의 일 측면에 따른 삼차원 프린터의 작동 방법은 헤드 칩을 구비하는 프린트 헤드와, 상기 헤드 칩에서 분사된 조형 잉크가 적층되는 스테이지를 포함하는 삼차원 프린터 작동방법에 있어서, 상기 헤드 칩에 마련된 잉크 챔버에 조형 잉크를 공급하고, 상기 잉크 챔버 내의 조형 잉크에 히터를 통하여 열을 가하고, 상기 히터에 의해 가해진 열에 의해 발생한 기포에 의해 상기 잉크 챔버내의 조형 잉크가 상기 헤드 칩에 마련된 노즐을 통해 상기 스테이지로 분사된다.
또한 상기 잉크 챔버에 조형 잉크를 공급하는 것은 상기 잉크 챔버 내부의 음압에 의해 잉크 탱크로부터 조형 잉크가 공급된다.
또한 상기 음압은 상기 잉크 챔버 내의 조형 잉크가 상기 노즐로 분사된 후에 발생된다.
또한 상기 스테이지에 적층된 조형 잉크에 광을 조사하여 경화시킨다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 삼차원 프린터는 잉크 챔버 내부의 조형 잉크가 히터에 의해 가열되어 잉크 챔버 내에서 기포가 발생하고, 기포에 의해 증가한 잉크 챔버의 내부 압력에 따라 잉크 챔버의 조형 잉크가 노즐을 통해 분사되므로, 버블 젯 방식으로 입체인 물건을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터에 있어서, 프린트 헤드의 제 1 방향으로의 이동을 보인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터에 있어서, 스테이지의 제 2 방향으로의 이동을 보인 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터에 있어서, 스테이지의 상하 방향으로의 이동을 보인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터에 있어서, 헤드 칩의 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터에 있어서, 헤드 칩에서 조형 잉크가 분사되는 과정을 차례로 보인 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터 및 이를 통한 삼차원 프린터의 작동 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터는 도 1에 도시한 바와 같이 본체(1)와, 본체(1)에 상부에 배치되어 하측으로 조형 잉크를 분사하는 복수의 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들과, 복수의 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들에서 토출된 조형 잉크가 적층되는 스테이지(4)와, 스테이지(4) 상에 적층된 조형 잉크에 광을 조사하여 경화시키는 광원(3)과, 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들에 조형 잉크를 공급하는 복수의 잉크 탱크(5K, 5M, 5C, 5Y)들을 포함한다.
이러한 삼차원 프린터에 사용되는 조형 잉크는 입체인 물체의 형성을 위한 올리고머(Oligomer) 및 모너머(Monomer)와, 광에 의해 중합을 시작하는 광 중합 개시제(Photo initiator)와, 색상 표현을 위한 안료(Pigment)와, 후술할 히터(21b)에 조형 잉크에서 발생한 이물질이 달라 붙는 것을 방지하는 안티 코게이션 물질(Anti-Kotion Agent)과, 조형 잉크가 다른 색상의 조형 잉크와 혼합되는어 것을 방지하는 안티 블리딩 물질(Anti-Bleeding Agent) 물질 등을 포함한다.
또한 본 실시예에서 조형 잉크는 낮은 온도에서도 기포가 발생할 수 있도록 낮은 비등점을 갖는 물질이 포함되는데, 이러한 물질에는 메탄올이나 에탄올과 같은 알콜류가 포함될 수 있다.
본체(1)는 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들 및 광원(3)이 장착되는 이송 모듈(1a)과, 제 1 방향으로 연장되어 이송 모듈(1a)의 제 1 방향 이동을 안내하는 가이드 로드(1b)와, 가이드 로드(1b)의 양단이 지지되는 지지 브래킷(1c)을 포함하며, 본체(1)의 일측에는 복수의 잉크 탱크(5K, 5M, 5C, 5Y)들이 분리 가능하게 장착되는 잉크 수용부(1d)가 마련된다.
프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들은 상술한 이송 모듈(1a) 및 가이드 로드(1b)를 통해 도 2에 도시한 바와 같이 본체(1)에 제 1 방향으로 수평 이동 가능하게 설치된다.
프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)에는 블랙(black) 색상의 조형 잉크를 분사하는 제 1 프린트 헤드(2K)와, 마젠타(magenta) 색상의 조형 잉크를 분사하는 제 2 프린트 헤드(2M)와, 시안(cyan) 색상의 조형 잉크를 분사하는 제 3 프린트 헤드(2C)와, 옐로우(yellow) 색상의 조형 잉크를 분사하는 제 4 프린트 헤드(2Y)가 포함된다.
이러한 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들은 그 하면에 배치되어 하측의 스테이지(4)에 조형 잉크를 분사하는 헤드 칩(21)을 각각 포함한다.
도 5에 도시한 바와 같이 헤드 칩(21)은 조형 잉크가 공급되는 잉크 챔버(21a)와, 잉크 챔버(21a) 내부의 조형 잉크를 가열하여 기포를 발생시키는 히터(21b)와, 잉크 챔버(21a) 내부에 기포가 발생함에 따라 증가한 잉크 챔버(21a) 내부의 압력에 따라 하측으로 조형 잉크를 분사하는 노즐(21c)을 포함한다.
스테이지(4)는 도 3에 도시한 바와 같이 수평하게 배치된 평판 형상으로 형성되며, 제 1 방향과 직각인 제 2 방향으로 수평 이동 가능하게 설치됨과 동시에 도 4에 도시한 바와 같이 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된다.
따라서 제 1 방향으로 이동 가능한 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)와, 제 2 방향 및 상하 방향으로 이동 가능한 스테이지(4)의 동작을 조합하여, 스테이지(4) 상에 길이, 폭 및 높이를 갖는 입체인 물건을 제조할 수 있다.
헤드 칩(21)은 조형 잉크가 공급되는 잉크 챔버(21a)와, 잉크 챔버(21a) 내의 조형 잉크에 열을 가해 기포가 발생하도록 하는 히터(21b)와, 기포에 의해 잉크 챔버(21a) 내의 압력이 증가할 경우 잉크 챔버(21a) 내의 조형 잉크를 하측의 스테이지(4)로 분사하는 노즐(21c)을 포함한다.
광원(3)은 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들과 함께 이송 모듈(1a)에 설치되어, 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들과 함께 제 1 방향으로 이동하면서 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들에서 토출된 조형 잉크에 광을 조사한다.
광원(3)은 자외선을 발생시켜 스테이지(4) 상에 조사하는 자외선 램프로 이루어지며, 조형 잉크는 자외선에 의해 경화되는 자외선 경화성 조형 잉크로 이루어진다.
본 실시예에서 광원(3)은 발광 다이오드 타입의 자외선 램프로 이루어지는데, 발광 다이오드 타입의 자외선 램프의 경우, 발열이 적어 사용되는 전력이 작을 뿐만 아니라 그 크기가 작아 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들과 함께 이송 모듈(1a)에 장착될 수 있다는 장점이 있다.
복수의 잉크 탱크(5K, 5M, 5C, 5Y)는 제 1 프린트 헤드(2K)로 공급될 블랙 색상의 조형 잉크가 저장되는 제 1 잉크 탱크(5K)와, 제 2 프린트 헤드(2M)로 공급될 마젠타 색상의 조형 잉크가 저장되는 제 2 잉크 탱크(5M)와, 제 3 프린트 헤드(2C)로 공급될 시안 색상의 조형 잉크가 저장되는 제 3 잉크 탱크(5C)와, 제 4 프린트 헤드(2Y)로 공급될 옐로우 색상의 조형 잉크가 저장되는 제 4 잉크 탱크(5Y)를 포함한다.
이러한 잉크 탱크(5K, 5M, 5C, 5Y)들은 본체(1)의 일측에 마련된 잉크 수용부(1d)에 분리 가능하게 설치되며, 연결관(미도시)을 통해 상술한 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)로 조형 잉크를 공급하도록 되어 있다.
이와 같이 잉크 탱크(5K, 5M, 5C, 5Y)들이 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들과는 별개로 본체(1)에 분리 가능하게 설치되도록 하면, 잉크 탱크(5K, 5M, 5C, 5Y)의 크기를 증가시켜 많은 양의 조형 잉크를 저장할 수 있을 뿐만 아니라, 조형 잉크가 모두 소진된 후에는 용이하게 잉크 탱크(5K, 5M, 5C, 5Y)를 교체하여 사용할 수 있다.
다음은 이와 같이 구성된 삼차원 프린터의 작동 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 5에 도시한 바와 같이 잉크 챔버(21a) 내에 조형 잉크가 공급되어 채워진 상태에서 히터(21b)에 전원을 공급하면, 히터(21b)에서 발생한 열에 의해 잉크 챔버(21a) 내부의 조형 잉크가 가열되면서 조형 잉크의 일부가 증발하면서 잉크 챔버(21a) 내부에서는 도 6에 도시한 바와 같이 기포가 발생한다.
이때, 조형 잉크의 일부가 액체 상태에서 기체 상태로 상변화 하는 과정에서는 그 부피 변화가 매우 크므로, 잉크 챔버(21a) 내부의 압력 증가는 큰 폭으로 이루어진다.
기포의 성장에 따라 잉크 챔버(21a) 내부의 압력이 증가하여 잉크 챔버(21a) 내의 조형 잉크가 도 7에 도시한 바와 같이 노즐(21c)을 통해 하측의 스테이지(4)로 분사된다.
또한 조형 잉크가 분사되면서 기포가 노즐(21c)에 도달하면, 도 8에 도시한 바와 같이 기포에 채워졌던 기체가 노즐(21c)을 통해 외부로 배출되므로, 잉크 챔버(21a) 내부의 압력은 조형 잉크의 분사 및 기체의 배출에 따라 급격히 감소하여 잉크 챔버(21a) 내부에서는 음압이 발생하고, 이러한 음압에 의해 잉크 탱크(5K, 5M, 5C, 5Y)의 조형 잉크가 잉크 챔버(21a)에 공급되어 채워진다.
프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들에서는 상기와 같은 과정을 통해 조형 잉크의 분사가 각각 이루어질 수 있는데, 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들은 구현하고자 하는 색상에 따라 선택적으로 동작하며 잉크를 분사한다.
스테이지(4) 상에 분사된 조형 잉크에는 이송 모듈(1a)의 제 1 방향 이동에 따라 광원(3)에서 발생한 광이 조사되므로, 광 경화성을 갖는 조형 잉크는 경화된다.
상기와 같은 조형 잉크의 분사 및 경화는 도 2에 도시한 바와 같은 이송 모듈(1a)의 제 1 방향 이동과 함께 반복적으로 이루어져 제 1 방향으로 선을 형성한다.
이와 같은 선의 형성은 스테이지(4)를 도 3에 도시한 바와 같이 제 2 방향으로 설정된 거리만큼 차례로 이동시키며 반복되어 선들에 의해 면이 형성된다.
또한 면 형성이 완료된 후에는 도 4에 도시한 바와 같이 스테이지(4)를 하측으로 설정된 거리만큼 차례로 이동시키면서 상술한 면의 형성을 반복함으로써 제조하고자 하는 입체인 물건의 제조는 완료된다.
상기와 같이 본 발명에 따른 삼차원 프린터는 기포를 발생시킴에 따라 증가한 잉크 챔버(21a) 내부의 압력에 의해 조형 잉크가 분사되도록 하는 버블 젯 방식을 채용하고 있는데, 버블 젯 방식에 사용되는 헤드 칩(21)은 식각 등으로 제조가 가능하여 소형화할 수 있으므로, 버블 젯 방식의 헤드 칩(21)을 적용함으로써 삼차원 프린터의 크기를 대폭 감소시킬 수 있다.
본 실시예에서는 삼차원 프린터가 블랙, 마젠타, 시안 및 옐로우 색상의 조형 잉크를 분사하는 제 1 프린트 헤드(2K), 제 2 프린트 헤드(2M), 제 3 프린트 헤드(2C) 및 제 4 프린트 헤드(2Y)를 포함하도록 되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제조될 입체인 물건의 색상에 따라서는 상술한 네 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)들 중 하나 또는 복수의 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)가 삼차원 프린터에 선택적으로 포함되도록 하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 스테이지(4)가 상하로 이동하도록 되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 스테이지(4) 대신 프린트 헤드(2K, 2M, 2C, 2Y)가 상하로 이동하도록 하는 것도 가능하다.
본 발명은 상기에서 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1: 본체 1a: 이송모듈
1b: 가이드 로드 1c: 지지 브래킷
1d: 잉크 수용부 2K, 2M, 2C, 2Y: 프린트 헤드
21: 헤드 칩 21a: 잉크 챔버
21b: 히터 21c: 노즐
3: 광원 4: 스테이지
5K, 5M, 5C, 5Y: 잉크 탱크

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 프린트 헤드와,
    상기 적어도 하나의 프린트 헤드에서 분사된 조형 잉크가 적층되는 스테이지를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 프린트 헤드는 조형 잉크를 분사하는 헤드 칩을 포함하며,
    상기 헤드 칩은 조형 잉크가 공급되는 잉크 챔버와, 상기 잉크 챔버 내의 조형 잉크에 열을 가해 상기 잉크 챔버 내부에서 기포를 발생시키는 히터와, 상기 기포 발생에 따라 증가한 상기 잉크 챔버 내부의 압력에 따라 조형 잉크를 상기 스테이지로 분사하는 노즐을 포함하는 삼차원 프린터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조형 잉크는 광 경화성 조형 잉크이며,
    상기 스테이지 상에 적층된 조형 잉크에 광을 조사하는 광원을 더 포함하는 삼차원 프린터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조형 잉크는 자외선에 의해 경화되는 자외선 경화 조형 잉크를 포함하며,
    상기 광원은 발광 다이오드 타입의 자외선 램프를 포함하는 삼차원 프린터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프린트 헤드는 제 1 방향으로 수평 이동 가능하게 설치하고,
    상기 스테이지는 제 1 방향과 직각인 제 2 방향으로 수평 이동 가능하게 설치되는 삼차원 프린터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프린트 헤드와 상기 스테이지 중 어느 하나는 상하로 이동 가능하게 설치되는 삼차원 프린터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프린트 헤드는 블랙 색상의 조형 잉크를 분사하는 제 1 프린트 헤드와, 마젠타 색상의 조형 잉크를 토출하는 제 2 프린트헤드와, 시안 색상의 조형 잉크를 분사하는 제 3 프린트 헤드와, 옐로우 색상의 조형 잉크를 분사하는 제 4 프린트 헤드 중 적어도 하나를 포함하는 삼차원 프린터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 프린트 헤드로 블랙 색상의 조형 잉크를 공급하는 제 1 잉크 탱크와,
    상기 제 2 프린트 헤드로 마젠타 색상의 조형 잉크를 공급하는 제 2 잉크 탱크와,
    상기 제 3 프린트 헤드로 시안 색상의 조형 잉크를 공급하는 제 3 잉크 탱크와,
    상기 제 1 프린트 헤드로 옐로우 색상의 조형 잉크를 공급하는 제 4 잉크 탱크를 더 포함하는 삼차원 프린터.
  8. 헤드 칩을 구비하는 프린트 헤드와, 상기 헤드 칩에서 분사된 조형 잉크가 적층되는 스테이지를 포함하는 삼차원 프린터 작동방법에 있어서,
    상기 헤드 칩에 마련된 잉크 챔버에 조형 잉크를 공급하고,
    상기 잉크 챔버 내의 조형 잉크에 히터를 통하여 열을 가하고,
    상기 히터에 의해 가해진 열에 의해 발생한 기포에 의해 상기 잉크 챔버내의 조형 잉크가 상기 헤드 칩에 마련된 노즐을 통해 상기 스테이지로 분사되는 삼차원 프린터 작동방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 잉크 챔버에 조형 잉크를 공급하는 것은,
    상기 잉크 챔버 내부의 음압에 의해 잉크 탱크로부터 조형 잉크가 공급되는 삼차원 프린터 작동방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 음압은 상기 잉크 챔버 내의 조형 잉크가 상기 노즐로 분사된 후에 발생되는 삼차원 프린터 작동방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 스테이지에 적층된 조형 잉크에 광을 조사하여 경화시키는 삼차원 프린터 작동방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광은 자외선이며,
    상기 조형 잉크는 자외선 경화 조형 잉크를 포함하는 삼차원 프린터 작동방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 프린터 헤드는 제 1 방향으로 수평이동 가능한 삼차원 프린터 작동방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 스테이지는 상기 제 1 방향과 직각인 제 2 방향으로 수평 이동가능한 삼차원 프린터 작동방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 프린터 헤드와 상기 스테이지 중 적어도 어느 하나는 상하 방향으로 이동 가능한 삼차원 프린터 작동방법.
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