KR20150135567A - Apparatus for manufacturing filaments for fused deposition modeling, Filaments included wire for fused deposition modeling and three-dimensional printer using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an apparatus for manufacturing a filament for fused deposition modeling (FDM), a filament for FDM impregnated with a wire, and a three-dimensional printer using the same. The apparatus for manufacturing a filament for FDM comprises: a hopper for supplying a solid thermoplastic polymer; a chamber having an inner space into which the thermoplastic polymer is injected, whose rear end portion is connected to the hopper, and which includes a heating means arranged by surrounding the external surface of a front end portion thereof, and heats and melts the thermoplastic polymer injected into the inner space; an ejection unit which is connected to the end of the front end portion of the chamber, and impregnates the molten thermoplastic polymer with a wire to cure the thermoplastic polymer while discharging the same; and a wire fitting unit which inserts a wire into the ejection unit according to the discharge rate of the molten thermoplastic polymer from the ejection unit. According to the present invention, when manufacturing a three-dimensional structure with the three-dimensional printer, the thermal durability and strength are further enhanced through the filament for FDM impregnated with a reinforcing wire, thereby enabling the production of a fine structure.

Description

FDM용 필라멘트 제조 장치,와이어가 담지된 FDM용 필라멘트 및 이를 이용하는 3차원 프린터 {Apparatus for manufacturing filaments for fused deposition modeling, Filaments included wire for fused deposition modeling and three-dimensional printer using the same}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a filament manufacturing apparatus for FDM, a filament for FDM carrying wire, and a three-dimensional printer using the filament.

본 발명은 FDM용 필라멘트 제조 장치, 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트 및 이를 이용하는 3차원 프린터에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 열가소성 폴리머로 제조되는 FDM용 필라멘트의 내부에 강화용 와이어를 담지시킨 FDM용 필라멘트를 제조하는 장치와 이를 이용하여 제조되어 내부에 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트 및 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트로 3차원의 구조물을 프린팅하는 3차원 프린터에 관한 것이다.The present invention relates to a filament manufacturing apparatus for FDM, a filament for FDM carrying wire, and a three-dimensional printer using the filament. More particularly, the present invention relates to a filament for FDM in which a reinforcing wire is carried in a filament for FDM made of a thermoplastic polymer Dimensional printer using a filament for FDM, which is manufactured using the apparatus, and an FDM filament and a reinforcing wire, on which an reinforcing wire is carried, and which prints a three-dimensional structure.

최근 전세계적으로 3차원 프린팅에 대한 관심이 증가함에 따라 3차원 프린팅 장비 및 3차원 프린팅을 위한 재료 등에 많은 연구 개발과 제품화가 이루어지고 있다.Recently, as the interest in 3D printing has increased in the world, many research and development and commercialization of materials for 3D printing equipment and 3D printing are being carried out.

3차원 프린팅이란, 디지털화된 디자인 데이터를 활용해 인쇄를 하듯 물체를 만들어 내는 방식으로서, 디지털 설계도만 있으면 제품 생산이 가능해 제조 공정을 대폭 감축할 수 있다. 3차원 프린팅은 재료를 자르거나 깎는 전통적인 절삭가공(Subtractive Manufacturing) 생산방식과 달리 3D 캐드(CAD)와 같은 프로그램을 사용하여 디지털화된 3차원 제품 디자인을 3차원 프린터를 통해 액체 또는 분말 형태의 재료로 분사한 후 경화 및 본딩 과정을 거쳐 한층씩 쌓아가면서 입체형 물건을 생산한다.3D printing is a method of creating objects as if they are printed using digitized design data, and it is possible to produce products only with digital design, which can greatly reduce the manufacturing process. In contrast to the traditional cutting process (cutting or cutting materials), 3D printing uses a program such as 3D CAD to create a digitized three-dimensional product design in liquid or powder form After spraying, solidification and bonding process are carried out to produce three-dimensional objects.

3차원 프린팅으로 사용되는 방식으로는, 저점도 UV 경화성 재료를 28um 높이로 분사하여 적층하는 UV 정밀적층방식과 지름 1.75mm의 열가소성 필라멘트(thermoplastic filament)를 130 내지 250℃ 온도에서 녹여 0.1 내지 0.5 mm 두께로 적층하는 FDM(Fused Deposition Modelling) 방식 및 티타늄(Titanium) 파우더나 타이타늄합금(Ti-alloy) 파우더와 같은 금속 파우더를 전자빔을 이용해 녹인 후, 금속 3차원 구조체를 형성하는 EBM(Electron Beam Melting) 방식 등이 있다. As a method of three-dimensional printing, a UV precision lamination method in which a low-viscosity UV-curable material is sprayed at a height of 28 袖 m is laminated and a thermoplastic filament having a diameter of 1.75 mm is melted at a temperature of 130 to 250 캜, EBM (Electron Beam Melting), which forms a metal three-dimensional structure by dissolving a metal powder such as a Fused Deposition Modeling (FDM) method and a titanium powder or a Ti-alloy powder using an electron beam, Method.

UV 정밀적층방식과 EBM 방식의 경우, 공정시에 고가의 장비와 재료가 요구되어 비용적인 측면으로 인해 상용화에 어려움을 격고 있다. 이에 반해, FDM 방식의 프린터는 대당 100만원 이하의 가격으로 저렴하며, 이용되는 열가소성 필라멘트 또한 저렴하여 다른 방식에 비해 현재 가장 널리 보급되고 있다. In the case of the UV precision lamination method and the EBM method, expensive equipment and materials are required in the process, which is difficult to commercialize due to cost. On the other hand, the FDM type printer is cheap at a price of less than KRW 1,000,000 per unit, and the thermoplastic filament to be used is also inexpensive, which is the most widespread now compared to other methods.

도 1은 FDM 방식의 3차원 프린터를 이용하여 3차원 구조물을 프린팅하는 개념도를 도시한다.FIG. 1 is a conceptual diagram for printing a three-dimensional structure using an FDM-type three-dimensional printer.

먼저 제작하고자 하는 입체 구조물을 3D 캐드(CAD) 프로그램으로 3D 모델링하고, 3D 캐드 시스템에서 이용하는 표준 인터페이스 데이터 포맷인 STL 포맷으로 생성한 후 이를 레이어(layer)로 구분하여 슬라이싱(slicing)한다.First, the 3D structures to be fabricated are 3D modeled by a 3D CAD program and are generated in STL format, which is a standard interface data format used in the 3D CAD system, and then sliced into layers.

그리고 제작할 3차원 구조물을 FDM 방식의 3차원 프린터(10)를 이용하여 각 레이어별로 프린팅하여 적층하는데, FDM 방식의 3차원 프린터(10)의 개략적인 구조를 살펴보면, 열가소성 폴리머로 형성된 FDM용 필라멘트(20)를 3차원 프린터(10)가 공급받아 압출기(70)에서 필라멘트(20)를 용융시켜 노즐(80)을 통해 용융된 필라멘트(20)를 분사한다.The three-dimensional structures to be fabricated are printed and laminated on the respective layers by using the FDM-type three-dimensional printer 10. A schematic structure of the FDM-type three-dimensional printer 10 will be described. The three-dimensional printer 10 receives the melted filament 20 and melts the filament 20 in the extruder 70 to spray the melted filament 20 through the nozzle 80.

이때 입체 구조물을 설계된 데이터에 따라 각 레이어별로 적층시키기 위해서 3차원 프린터(10)에는 압출기(10)를 상하와 좌우로 이송시키기 위한 이송장치가 구비된다.At this time, the three-dimensional printer 10 is provided with a transfer device for transferring the extruder 10 from the upper and lower sides to the left and right in order to stack the three-dimensional structures on the respective layers according to the designed data.

3차원 프린터(10)가 레이어별 프린팅 과정을 거쳐서 각 레이어를 적층시키면서 이를 경화시키면 상기 도 1에 도시된 바와 같은 3차원 구조물(90)의 제작이 가능하게 된다.Dimensional printer 90 as shown in FIG. 1 can be manufactured by stacking and curing the layers of the three-dimensional printer 10 through a layer-by-layer printing process.

이와 같은 종래기술의 FDM용 필라멘트로서 가장 많이 이용되는 열가소성 재료는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)와 PLA(Polylactic Acid)이며, 이외에도 PC(Polycabornate)나 HDPE(High-density polyethylene) 등도 사용되고 있다. 또한 열가소성 폴리머 재료에 목분이나 나일론(nylon)을 첨가한 형태의 필라멘트도 제안된 바 있다.Thermoplastic materials such as acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and polylactic acid (PLA) are the most commonly used filaments for FDM of the prior art, and PC (Polycarbonate) and HDPE (High-density polyethylene) are also used. Further, a filament in the form of wood powder or nylon added to the thermoplastic polymer material has been proposed.

FDM용 필라멘트 중 가장 많이 사용되고 있는 ABS의 경우, PLA에 비해 강도가 높고 열에 대한 내구성이 강하나 열수축 현상이 일어나 프린팅 시 뒤틀림 현상이 발생하는 등 성형이 어려워 일정 크기(대략 20x20cm) 이상의 입체 구조체을 형성시키기 어려운 문제점이 있다. 이러한 이유로 비교적 큰 입체 구조체의 제작을 위해서는 PLA가 사용되나 열 내구성과 강도 면에서 ABS보다 떨어지며, 가격도 더 비싼 단점이 있다. ABS, which is the most used filament among FDM filaments, has a higher strength and higher durability against heat than PLA, but it is difficult to form a three-dimensional structure having a certain size (about 20x20 cm) due to heat shrinkage and distortion during printing, There is a problem. For this reason, PLA is used to fabricate a relatively large three-dimensional structure, but it is less expensive than ABS in heat durability and strength.

또한 3차원 프린팅 공정 동안 누적되는 열가소성 재료의 반복적인 열수축과 열팽창으로 인해, FDM 방식의 프린터 노즐 부위에 압박이 유도되는 경우가 발생하며, 이는 FDM 방식의 프린팅시 정밀도를 저해하는 요소로 작용하는 문제점이 있다.In addition, due to the repeated thermal shrinkage and thermal expansion of the thermoplastic material accumulated during the three-dimensional printing process, compression may be induced at the nozzle portion of the FDM type printer. This is a problem in which the FDM- .

일례로서, 도 2는 종래기술을 통해 FDM용 프린팅 방식으로 제작한 3차원 구조물을 나타내는데, 상기 도 2의 (a)와 같은 3차원 입체 구조 모델을 종래의 FDM용 필라멘트를 이용하여 제작하는 경우에, 상기 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 뒤틀림 현상(A)이 발생되어 정밀한 입체 구조물를 제작하는데 한계가 있다.For example, FIG. 2 shows a three-dimensional structure manufactured by a printing method for FDM according to the related art. When a three-dimensional three-dimensional structure model as shown in FIG. 2 (a) is manufactured using a conventional filament for FDM , A warping phenomenon (A) is generated as shown in FIG. 3 (b), and there is a limitation in manufacturing a precise three-dimensional structure.

이와 같은 다양한 문제점으로 인해 FDM 방식을 이용한 프린팅의 경우, 장식품이나 장난감 등으로 사용이 가능한 정도의 강도는 보유하고 있으나, 기존 사출성형 방식과 대비하여 강도가 현저히 떨어지므로 기계적인 부품이나 실제 응용제품에 활용되지 못하는 한계가 있다. Due to these various problems, the printing using the FDM method has a strength enough to be used for ornaments and toys, but the strength is remarkably reduced compared with the conventional injection molding method. Therefore, There are limitations that can not be utilized.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 3차원 프린터로 3차원 구조물의 제작시에 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 통해 열 내구성과 강도를 높여 더욱 정밀한 구조물의 제작을 가능하게 하는 FDM용 필라멘트와 이를 제작하기 위한 장치 및 이를 이용하는 3차원 프린터를 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide a three-dimensional printer capable of improving heat durability and strength through filament for FDM, And a three-dimensional printer using the filament.

특히, 종래 FDM 방식을 이용한 프린팅의 경우, 장식품이나 장난감 등으로 사용이 가능한 정도의 강도는 보유하고 있으나, 기존 사출성형 방식과 대비하여 강도가 현저히 떨어지므로 기계적인 부품이나 실제 응용제품에 활용되지 못하는 한계를 극복하고자 한다.Particularly, in the case of printing using the conventional FDM method, although it has strength enough to be used for ornaments or toys, the strength is remarkably reduced compared with the conventional injection molding method, so that it can not be used for mechanical parts or practical applications We want to overcome the limit.

나아가서 3차원 프린팅 공정 동안 누적되는 열가소성 재료의 반복적인 열수축과 열팽창으로 인해, FDM 방식의 프린터 노즐 부위에 압박이 유도됨으로 인해 FDM 방식의 프린팅시 정밀도가 저해되는 문제점을 해소하고자 한다.Furthermore, due to repeated thermal shrinkage and thermal expansion of the thermoplastic material accumulated during the three-dimensional printing process, pressure is induced at the nozzle portion of the FDM system, thereby solving the problem that the precision in the FDM printing is hindered.

상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명에 따른 FDM용 필라멘트 제조 장치는 고형의 열가소성 폴리머를 공급하는 호퍼; 열가소성 폴리머가 주입되는 내부 공간이 형성되며, 후단부에 상기 호퍼가 연결되고 전단부의 외면을 둘러싸며 가열수단이 배치되어 상기 내부 공간으로 주입되는 열가소성 폴리머를 가열하여 용융시키는 챔버; 상기 챔버의 전단부 끝단에 연결되어 용융된 열가소성 폴리머에 와이어를 담지시켜 배출하면서 경화시키는 토출부; 및 상기 토출부에서의 용융된 열가소성 폴리머의 배출 속도에 대응시켜 와이어를 상기 토출부로 인입시키는 와이어 피팅부를 포함하여 구성될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for manufacturing filament for FDM, comprising: a hopper for supplying a solid thermoplastic polymer; A chamber connected to the hopper at a rear end thereof and surrounding the outer surface of the front end portion and having a heating means disposed therein for heating and melting the thermoplastic polymer injected into the inner space; A discharging unit connected to an end of the front end of the chamber for holding a wire in a melted thermoplastic polymer and discharging the wire while curing; And a wire fitting part for drawing the wire into the discharging part in correspondence with the discharge speed of the molten thermoplastic polymer in the discharging part.

바람직하게는 상기 챔버의 내부 공간의 길이 방향을 따라 배치된 축과 상기 축의 외면에 사선 방향을 따라 형성된 하나 이상의 날개를 포함하여, 상기 축의 회전에 따라 열가소성 폴리머를 상기 내부 공간의 길이 방향으로 이송시키는 스크류; 및 상기 스크류를 회전시키는 스크류 구동부를 더 포함할 수 있다.Preferably, the apparatus includes a shaft disposed along the longitudinal direction of the inner space of the chamber, and at least one blade formed along the oblique direction on the outer surface of the shaft, wherein the thermoplastic polymer is transported in the longitudinal direction of the inner space according to the rotation of the shaft screw; And a screw driver for rotating the screw.

나아가서 상기 토출부는, 일측에 상기 챔버의 전단부 끝단에 연결되어 용융된 열가소성 폴리머를 공급받는 공급부가 형성되고, 타측에 직경 조절이 가능한 노즐이 형성될 수 있다.Further, the discharging unit may include a supply portion connected to one end of the front end of the chamber to receive the molten thermoplastic polymer, and a nozzle having a diameter adjustable on the other end.

일 실시예로서, 상기 토출부는, 중단에 상기 와이어 피딩부와 연결되어 와이어를 공급받는 와이어 인입부가 형성될 수 있다.In one embodiment, the discharging portion may be formed with a wire receiving portion connected to the wire feeding portion at a stop to receive the wire.

다른 실시예로서, 상기 스크류의 축은, 내부가 길이방향으로 관통되며, 일측이 상기 투입구의 내면 형상에 대응하여 상기 투입구의 내부까지 연장되어 형성되며, 상기 와이어 피팅부는, 상기 스크류의 축의 타측 끝단에 연결되어 상기 스크류의 축의 관통된 내부를 통해 상기 토출부로 와이어를 인입시킬 수도 있다.In another embodiment, the axis of the screw is formed so as to penetrate the inside in the longitudinal direction, one side of which extends to the inside of the charging port corresponding to the inner surface shape of the charging port, and the wire fitting portion is formed at the other end of the shaft of the screw And the wire may be connected to the discharge portion through the penetrated inside of the shaft of the screw.

또한 본 발명에 따른 FDM용 필라멘트는, 열가소성 폴리머로 형성되되, 내부에 강화용 와이어가 담지되어 형성될 수 있다.The filament for FDM according to the present invention is formed of a thermoplastic polymer and may be formed by supporting a reinforcing wire therein.

바람직하게는 상기 필라멘트는 직경이 0.1~3.0mm의 범위로 형성될 수 있다.Preferably, the filament may have a diameter ranging from 0.1 to 3.0 mm.

그리고 상기 와이어는, 금속, 금속산화물, 세라믹 또는 광섬유로 형성되거나 외면에 형성되는 열가소성 폴리머보다 융점이 높은 고무, 수지 또는 폴리머로 형성되며, 직경이 1~100um 범위로 형성될 수 있다.The wire may be formed of a rubber, a resin, or a polymer having a melting point higher than that of a thermoplastic polymer formed of a metal, a metal oxide, a ceramic, an optical fiber, or an outer surface, and may have a diameter ranging from 1 to 100 μm.

나아가서 본 발명에 따른 FDM용 필라멘트를 이용하는 3차원 프린터는, 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 공급받는 필라멘트 인입부; 상기 FDM용 필라멘트를 용융시키는 압출기; 용융된 FDM용 필라멘트와 상기 와이어를 함께 배출하는 노즐; 및 상기 압출기 끝단 또는 상기 노즐의 끝단에 배치되어 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 절단하는 절단부를 포함할 수 있다.Further, the three-dimensional printer using the filament for FDM according to the present invention comprises: a filament inlet portion to which a filament for FDM carrying wire is fed; An extruder for melting the FDM filament; A nozzle for discharging the melted FDM filament and the wire together; And a cut portion disposed at an end of the extruder or at an end of the nozzle to cut the filament for FDM carrying the wire.

이와 같은 본 발명에 의하면, 강화용 와이어를 열가소성 고분자 재료에 담지시킨 FDM용 필라멘트를 제공함으로써 3차원 프린터로 3차원 구조물의 제작시에 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 통해 열 내구성과 강도를 더욱 높여 정밀한 구조물의 제작이 가능해진다.According to the present invention, by providing the filament for FDM in which the reinforcing wire is carried on the thermoplastic polymer material, thermal durability and strength can be obtained through the filament for FDM carrying the reinforcing wire when the three- So that it becomes possible to manufacture a precise structure.

특히, 열가소성 폴리머 등의 재료가 열배출이 빠를수록 수축이 활발하게 일어나게 되어 3차원 프린팅 시에 재료 특성에 따른 입체 구조물의 뒤틀림 현상을 와이어를 통해 열을 흡수한 후 서서히 배출하게 됨으로써 제거할 수 있게 된다.Particularly, as a material such as a thermoplastic polymer accelerates heat shrinkage more actively, shrinkage occurs actively, so that distortion of a three-dimensional structure due to a material characteristic during three-dimensional printing is absorbed through a wire, do.

또한 열가소성 폴리머 등의 재료 사용으로 인해 강도의 한계를 와이어를 적층시킴으로써 극복하여 고강도가 요구되는 기계적인 부품이나 구조물 등을 3차원 프린팅 방식으로 제작할 수 있게 된다.In addition, by using materials such as thermoplastic polymers, mechanical parts and structures requiring high strength can be produced by a three-dimensional printing method by overcoming the limit of strength by stacking wires.

나아가서 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 적용함으로써 와이어가 일종의 기둥 역할을 수행함으로써 입체 구조물의 높이 방향인 Z축 방향으로도 정밀한 구조물의 제작이 가능하게 된다.Further, by applying the filament for FDM carrying the reinforcing wire, the wire serves as a kind of pillar so that it is possible to manufacture a precise structure in the Z axis direction which is the height direction of the three-dimensional structure.

도 1은 FDM 방식의 3차원 프린터를 이용하여 3차원 구조물을 프린팅하는 개념도를 도시하며,
도 2는 종래기술을 통해 FDM용 프린팅 방식으로 제작한 3차원 구조물을 나타내며,
도 3은 본 발명에 따른 FDM용 필라멘트 제조 장치의 일실시예에 대한 단면도를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 FDM용 필라멘트 제조 장치에서 노즐의 직경이 조절되는 일실시예를 도시하며,
도 5는 상기 도 3의 실시예를 통해 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 제조하는 과정을 도시하며,
도 6은 본 발명에 따른 FDM용 필라멘트 제조 장치의 다른 실시예에 대한 단면도를 도시하며,
도 7은 상기 도 6의 실시예를 통해 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 제조하는 과정을 도시하며,
도 8은 본 발명에 따른 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 이용하는 3차원 프린터의 실시예를 도시하며,
도 9는 상기 도 8의 실시예에 대한 단면도를 도시하며,
도 10은 종래기술과 본 발명에 따라 제작된 입체 구조물의 실시예를 도시한다.
FIG. 1 is a conceptual diagram for printing a three-dimensional structure using an FDM-type three-dimensional printer,
2 shows a three-dimensional structure manufactured by a printing method for FDM according to the prior art,
3 shows a cross-sectional view of an embodiment of a filament manufacturing apparatus for FDM according to the present invention,
FIG. 4 illustrates an embodiment in which the diameter of the nozzle is adjusted in the filament manufacturing apparatus for FDM according to the present invention,
FIG. 5 illustrates a process for fabricating a filament for FDM carrying a reinforcing wire through the embodiment of FIG. 3,
6 is a cross-sectional view of another embodiment of the filament manufacturing apparatus for FDM according to the present invention,
FIG. 7 illustrates a process for manufacturing a filament for FDM in which a reinforcing wire is carried through the embodiment of FIG. 6,
8 shows an embodiment of a three-dimensional printer using a filament for FDM carrying a reinforcing wire according to the present invention,
Figure 9 shows a cross-sectional view of the embodiment of Figure 8,
Fig. 10 shows an embodiment of a three-dimensional structure manufactured according to the prior art and the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.First, the terminology used in the present application is used only to describe a specific embodiment, and is not intended to limit the present invention, and the singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Also, in this application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify that there are stated features, integers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명은, 3차원 프린팅을 통해 입체 구조물의 제작시에 열 내구성과 강도를 높여 보다 정밀하게 입체 구조물을 제작 가능케하는 FDM용 필라멘트와 이를 제작하기 위한 FDM용 필라멘트 제조 장치를 개시하며, 나아가서 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 이용하여 입체 구조물을 제작하는 3차원 프린터를 개시한다.
Disclosed is a filament for FDM capable of fabricating a three-dimensional structure with higher thermal durability and strength at the time of manufacturing a three-dimensional structure through three-dimensional printing, and an apparatus for manufacturing filament for FDM for producing the filament. A three-dimensional printer for fabricating a three-dimensional structure using a filament for FDM carrying a wire is disclosed.

이하에서는 먼저 본 발명에 따른 FDM용 필라멘트 제조 장치와 이를 이용하여 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 제조하는 과정을 살펴보고, 나아가서 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 이용하여 입체 구조물을 제작하는 3차원 프린터에 대하여 살펴보기로 한다.Hereinafter, a process for manufacturing a filament for FDM according to the present invention and a process for manufacturing a filament for FDM carrying the reinforcing wire will be described. In addition, a three-dimensional structure is manufactured using the filament for FDM carrying the reinforcing wire Let's take a look at a 3D printer.

도 3은 본 발명에 따른 FDM용 필라멘트 제조 장치의 일실시예에 대한 단면도를 도시한다.Fig. 3 shows a cross-sectional view of an embodiment of the apparatus for producing filaments for FDM according to the present invention.

본 발명에 따른 FDM용 필라멘트 제조 장치(100)는 필라멘트 재료를 공급받는 호퍼(130), 필라멘트 재료를 용융시키는 챔버(110), 강화용 와이어를 공급하는 와이어 피딩부(150) 및 용융된 필라멘트 재료에 강화용 와이어를 담지시켜 배출하면서 경화시키는 토출부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.The apparatus 100 for manufacturing filament for FDM according to the present invention comprises a hopper 130 supplied with a filament material, a chamber 110 for melting a filament material, a wire feeding part 150 for supplying a reinforcing wire, And a discharging portion 140 for holding the reinforcing wire and curing the discharging wire.

챔버(110)는, 필라멘트 재료가 주입되는 내부 공간(115)이 형성되며, 후단부에 호퍼(130)가 연결되어 호퍼(130)에 공급되는 필라멘트 재료가 내부 공간(115) 상으로 주입된다. 또한 챔버(110)의 전단부 외면을 둘러싸며 가열 수단(120)이 배치되는데, 가열 수단(120)으로서는 챔버(110)의 전단부 외면을 코일 등으로 둘러싸 형성될 수 있다. 그리고 챔버(110)의 전단부 끝단에는 용융된 필라멘트 재료에 와이어를 담지시켜 배출하면서 경화시키는 토출부(140)가 연결된다.The chamber 110 is formed with an internal space 115 into which the filament material is injected and a hopper 130 is connected to the rear end of the chamber 110 so that the filament material supplied to the hopper 130 is injected onto the internal space 115. The heating means 120 may surround the outer surface of the front end of the chamber 110. The heating means 120 may surround the outer surface of the front end of the chamber 110 with a coil or the like. A discharge unit 140 is connected to the end of the front end of the chamber 110 for holding the molten filament material while discharging the wire.

토출부(140)는 일측이 챔버(110)의 전단부 끝단에 연결되어 챔버(110)로부터 용융된 필라멘트 재료를 공급받는 공급부(141)와 타측에 용융된 필라멘트 재료에 와이어를 담지시켜 배출하는 노즐(145)로 구성될 수 있다.The discharge part 140 is connected to the front end of the chamber 110 at one end thereof and includes a supply part 141 for receiving the molten filament material from the chamber 110 and a nozzle for discharging the molten filament material (145).

그리고 와이어 피딩부(150)는 필라멘트 재료에 담지시킬 와이어를 토출부(140)에서의 필라멘트 배출 속도에 대응시켜 공급하는데, 상기 도 3의 실시예는 와이어 전면 투입 방식으로서 토출부(140)의 중단에 와이어 인입부(143)가 형성되고, 와이어 피딩부(150)가 토출부(140)의 와이어 인입부(143)에 연결되어 와이어 피딩부(150)로부터 공급되는 와이어가 와이어 인입부(143)를 통해 토출부(140) 내부로 인입된다.The wire feeding part 150 supplies a wire to be supported on the filament material in correspondence with the filament discharge speed in the discharging part 140. The embodiment of FIG. The wire feeding part 150 is connected to the wire receiving part 143 of the discharging part 140 and the wire supplied from the wire feeding part 150 is connected to the wire receiving part 143, The discharge port 140 is opened.

나아가서 챔버(110) 내부 공간(115) 상에 존재하는 필라멘트 재료를 용융시켜 토출부(140)로 이송하기 위한 필라멘트 재료 이송 수단이 구비되는데, 여기서 이송 수단으로는 챔버(110) 내부 공간(115) 상에서 후단부로부터 전단부를 향해 수평 왕복 이동되는 프레스 타입의 이송 수단이 구성될 수도 있지만, 보다 간단한 구성으로서 상기 도 3의 실시예에서는 스크류(160)를 채용하였다.A filament material transferring means for transferring the filament material present on the inner space 115 of the chamber 110 to the discharging portion 140 is provided, Type conveying unit that horizontally reciprocates from the rear end to the front end on the conveying path. However, in the embodiment of FIG. 3, the screw 160 is employed in a simpler configuration.

스크류(160)는 챔버(110) 내부 공간(115)의 길이 방향을 따라 배치된 축(161)과 축(161)의 외면에 사선 방향을 따라 형성된 하나 이상의 날개(163)를 포함하며, 축(161)의 회전에 따라 날개(163)가 회전하면서 챔버(110) 내부 공간(115)에 존재하는 필라멘트 재료를 이송시킨다. 또한 스크류(160)를 회전시키기 위한 모터 등의 스크류 구동부(170)가 구비되는데, 스크류(160)의 축(161) 끝단이 챔버(110)의 후단면을 관통하여 스크류 구동부(170)에 연결될 수 있으며, 스크류(160)를 보다 용이하게 회전시키기 위해서 스크류(160)의 축(161)이 관통한 챔버(110)의 면에 베어링 등이 배치되어 축(161)을 지지하면서 축(161)의 회전을 용이하게 도모시킬 수 있다.The screw 160 includes a shaft 161 disposed along the longitudinal direction of the chamber 110 internal space 115 and one or more blades 163 formed along the oblique direction on the outer surface of the shaft 161, The wings 163 rotate to transfer the filament material present in the inner space 115 of the chamber 110. [ A screw driving part 170 such as a motor for rotating the screw 160 is provided so that the end of the shaft 161 of the screw 160 can be connected to the screw driving part 170 through the rear end surface of the chamber 110 A bearing or the like is disposed on the surface of the chamber 110 through which the shaft 161 of the screw 160 penetrates in order to rotate the screw 160 more easily so that the rotation of the shaft 161 Can be easily achieved.

나아가서 제조되는 FDM용 필라멘트의 직경을 조절하기 위해서 토출부(140)의 노즐(145)을 탈착 가능하도록 구성하여 제조할 FDM용 필라멘트의 직경에 대응되는 직경을 갖는 노즐(145)로 교체하여 토출부(140)에 장착할 수도 있고, 또는 토출부(140)에 노즐(145)의 직경 조절 수단을 구비하여 상황에 따라 용이하게 노즐(145)의 직경을 조절할 수도 있는데, 노즐(145)의 직경 조절과 관련하여 도 4는 본 발명에 따른 FDM용 필라멘트 제조 장치에서 노즐의 직경이 조절되는 일실시예를 도시한다.In order to adjust the diameter of the FDM filament to be manufactured, the nozzle 145 of the discharging unit 140 is detachably connected to the nozzle 145 having a diameter corresponding to the diameter of the FDM filament to be manufactured, The diameter of the nozzle 145 may be adjusted according to circumstances by providing the diameter adjusting unit of the nozzle 145 in the discharging unit 140. The diameter of the nozzle 145 may be adjusted by adjusting the diameter of the nozzle 145, 4 illustrates an embodiment in which the diameter of the nozzle is adjusted in the filament manufacturing apparatus for FDM according to the present invention.

상기 도 4의 실시예에서는 직경 조절 수단(147)으로서 다수의 곡선 날개를 원호 방향을 따라 배치하여 중심부에 홀이 형성되며, 상기 도 4의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이 이들 곡선 날개를 회전시킴에 따라 중심부의 홀 직경이 변화되는 구조로 직경 조절 수단(147)을 형성시킬 수 있다.In the embodiment of FIG. 4, a plurality of curved blades are arranged as the diameter adjusting means 147 along the arcuate direction, and holes are formed in the central portion. As shown in FIGS. 4A and 4B, The diameter adjusting means 147 can be formed in such a structure that the diameter of the hole in the central portion is changed by rotating the wing.

상기 도 3의 실시예에 도시된 FDM용 필라멘트 제조 장치를 이용하여 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 제조하는 과정을 도 5를 참조하여 살펴보면,Referring to FIG. 5, a process for fabricating a filament for FDM carrying a reinforcing wire using the FDM filament manufacturing apparatus shown in the embodiment of FIG. 3 will be described.

호퍼(130)를 통해 챔버(110)의 내부 공간(115)으로 필라멘트 재료를 주입하는데, 여기서, 필라멘트 재료로는 열가소성 재료가 이용될 수 있으며, FDM용 필라멘트 재료로서 사용되고 있는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), PLA(Polylactic Acid), PC(Polycabornate) 또는 HDPE(High-density polyethylene) 등을 이용할 수 있다. 나아가서 열가소성 폴리머 재료에 목분이나 나일론(nylon) 등을 첨가하여 이용할 수도 있다.The filament material is injected into the inner space 115 of the chamber 110 through the hopper 130. Here, a thermoplastic material may be used as the filament material, and ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), which is used as a filament material for FDM, , Polylactic acid (PLA), polycarbonate (PC), or high-density polyethylene (HDPE). Further, wood flour or nylon may be added to the thermoplastic polymer material.

호퍼(130)에 필라멘트 재료를 공급시에 상기 도 5와 같이 펠렛(pellet) 형태 작은 알맹이의 고형 열가소성 폴리머(310)로 공급하는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 분말 파우더 형태의 열가소성 폴리머로 공급할 수도 있다.When the filament material is supplied to the hopper 130, it is preferable to supply the pellet-shaped solid thermoplastic polymer 310 having a small pellet shape as shown in FIG. 5, and more preferably, it may be supplied as a powdered thermoplastic polymer .

호퍼(130)에 공급된 고형의 열가소성 폴리머(310)는 챔버(110)의 내부 공간(115) 상으로 주입되며, 스크류 구동부(170)가 스크류(160)를 회전시킴에 따라서 챔버(110)의 내부 공간(115) 상 후단부에서 전단부를 향해 이송된다.The solid thermoplastic polymer 310 supplied to the hopper 130 is injected onto the inner space 115 of the chamber 110 and the screw driving unit 170 is rotated by the screw driving unit 170 to rotate the screw 160, And is transported from the rear end to the front end on the inner space 115.

그리고 챔버(110)의 전단부에 배치된 가열 수단(120)이 챔버(110)의 내부 공간(115) 온도를 100 내지 250℃로 승온시킴으로써 열가소성 폴리머(310)는 챔버(110)의 내부 공간(115) 상에서 용융된다. 승온 온도는 필라멘트 재료의 융점에 따라서 조절될 수 있는데, 바람직하게는 필라멘트 재료에 담지될 와이어의 융점보다는 낮게 조절할 필요가 있다.The heating means 120 disposed at the front end of the chamber 110 raises the temperature of the internal space 115 of the chamber 110 to 100 to 250 ° C so that the thermoplastic polymer 310 is heated in the internal space of the chamber 110 115). The temperature elevating temperature can be adjusted according to the melting point of the filament material, preferably lower than the melting point of the wire to be supported on the filament material.

스크류(160)의 회전에 따라 용융된 열가소성 폴리머는 챔버(110) 내부 공간(115)으로부터 토출부(140)로 이송되며, 와이어 피딩부(150)는 강화용 와이어(350)를 토출부(140)의 와이어 인입부(143)를 통해 토출부(140) 내부로 인입시키는데, 와이어의 인입 속도는 용융된 열가소성 폴리머의 이송 속도에 대응시켜 조절된다. 즉, 스크류(160)의 회전 속도에 대응시켜 와이어 피딩부(150)가 강화용 와이어를 공급한다. 여기서 강화용 와이어는 금속, 금속산화물, 세라믹 또는 광섬유로 형성되거나, 챔버(110)로부터 이송되는 열가소성 폴리머보다 융점이 높은 고무, 수지 또는 폴리머로 형성될 수 있으며, 직경이 1~100um 내의 범위에서 제작될 입체 구조물의 특성을 고려하여 FDM용 필라멘트의 직경에 따라 조절될 수 있다.The molten thermoplastic polymer is transferred from the inner space 115 of the chamber 110 to the discharge portion 140 and the wire feeding portion 150 is connected to the discharge portion 140 The wire pulling-in speed is controlled in accordance with the feeding speed of the molten thermoplastic polymer. That is, the wire feeding part 150 supplies the reinforcing wire in accordance with the rotation speed of the screw 160. The reinforcing wire may be formed of a metal, a metal oxide, a ceramic, or an optical fiber, or may be formed of a rubber, a resin, or a polymer having a melting point higher than that of the thermoplastic polymer transferred from the chamber 110, Can be adjusted according to the diameter of the filament for FDM considering the characteristics of the three-dimensional structure to be formed.

그리고 토출부(140)는 와이어 인입부(143)를 통해 인입되는 와이어를 챔버(110)로부터 이송되는 용융된 열가소성 폴리머에 담지시켜 노즐(145)을 통해 배출하면, 노즐(145)을 통해 배출되는 열가소성 폴리머는 대기중에서 경화되는데, 열가소성 폴리머(330’)의 내부에 와이어(350’)가 담지되어 경화됨으로써 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트(300)가 제조된다. 여기서 노즐(145)의 직경을 조절함으로써 제조되는 FDM용 필라멘트의 직경이 조절되는데, 제조되는 FDM용 필라멘트는 노즐(145)의 직경 조절에 따라 0.1 내지 3.0mm 범위로 제작될 수 있으며, FDM용 필라멘트의 직경은 담지되는 와이어의 직경이나 제작할 입체 구조물의 특성 및 용도 등을 고려하여 요구되는 다양한 사이즈로 제작될 수 있다. The discharging unit 140 discharges the wire introduced through the wire receiving unit 143 to the molten thermoplastic polymer transferred from the chamber 110 and discharges the discharged wire through the nozzle 145, The thermoplastic polymer is cured in the atmosphere. The wire 350 'is carried on the inside of the thermoplastic polymer 330' and hardened to produce the filament 300 for FDM carrying the reinforcing wire. Here, the diameter of the filament for FDM manufactured by controlling the diameter of the nozzle 145 is controlled. The FDM filament to be manufactured may be fabricated in the range of 0.1 to 3.0 mm according to the diameter of the nozzle 145, May be manufactured in various sizes required in consideration of the diameter of the wire to be supported, the characteristics of the three-dimensional structure to be manufactured, and the use thereof.

이와 같이 본 발명에 따른 FDM용 필라멘트 제조 장치를 통해 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트의 제조가 가능하다.
As described above, it is possible to manufacture the filament for FDM carrying the reinforcing wire through the filament manufacturing apparatus for FDM according to the present invention.

본 발명에 따른 FDM용 필라멘트 제조 장치의 다른 실시예로서 도 6은 본 발명에 따른 FDM용 필라멘트 제조 장치의 다른 실시예에 대한 단면도를 도시한다.6 is a cross-sectional view of another embodiment of the apparatus for manufacturing filament for FDM according to the present invention, as another embodiment of the apparatus for manufacturing filament for FDM according to the present invention.

상기 도 6의 실시예를 설명하는데 있어서 상기 도 5의 실시예와 동일한 구성에 대해서는 반복적인 설명을 생략하기로 한다.In the description of the embodiment of FIG. 6, repetitive description of the same configuration as the embodiment of FIG. 5 will be omitted.

상기 도 6의 실시예는 와이어 후면 투입 방식으로서, 챔버(210)의 내부 공간(215) 상에서 길이방향을 따라 위치된 스크류(260)의 축(261) 내부가 길이방향을 따라 관통되어 와이어 인입 통로(265)가 형성되며, 스크류(260)의 축(261) 끝단에 와이어 피딩부(250)가 연결되어 와이어 피딩부(250)가 스크류(260) 축(261) 내부에 형성된 와이어 인입 통로(265)로 와이어를 인입시킨다.6, the inside of the shaft 261 of the screw 260 located along the longitudinal direction on the inner space 215 of the chamber 210 is penetrated along the longitudinal direction, The wire feeding part 250 is connected to the end of the shaft 261 of the screw 260 so that the wire feeding part 250 is connected to the wire inlet passage 265 formed in the screw shaft 260 ).

그리고 보다 용이하게 축(261)의 와이어 인입 통로(265)를 통해 토출부(240)로 와이어를 공급하기 위해서 축(261)의 토출부(240) 방향 일측이 상기 도 6의 실시예에 도시된 바와 같이 토출부(240)의 내부 형상에 대응되어 토출부(240)의 내부까지 연장되어 형성된다.One side of the shaft 261 in the direction of the discharge portion 240 is provided in the embodiment of FIG. 6 so as to more easily supply the wire to the discharge portion 240 through the wire inlet passage 265 of the shaft 261 And extends to the inside of the discharge portion 240 corresponding to the internal shape of the discharge portion 240 as shown in FIG.

또한 스크류(260)를 회전시키는 스크류 구동부(470)는 축(261)에 장착된 기어(471)와 스크류 구동부(470)에 장착된 기어(473)가 맞물려서 스크류 구동부(470)의 회전력을 스크류(260) 축(261)으로 전달할 수 있으며, 스크류(260)의 회전을 용이하게 하기 위해서 축(261)이 관통하는 챔버(210)의 후단부면과 축(261)과 와이어 피딩부(250)가 연결되는 부분에 베어링이 장착될 수 있다.The screw 471 mounted on the shaft 261 is engaged with the gear 473 mounted on the screw driver 470 so that the rotational force of the screw driver 470 is transmitted to the screw 260 to the shaft 261 and the rear end face of the chamber 210 through which the shaft 261 passes and the shaft 261 and the wire feeding part 250 are connected to each other in order to facilitate the rotation of the screw 260 The bearing can be mounted on the portion where it is.

이와 같이 상기 도 6의 실시예에 따른 와이어 후면 투입 방식의 FDM용 필라멘트 제조 장치로 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 제조하는 공정을 도 7을 통해 살펴보면, 상기 도 5의 실시예와 마찬가지로 호퍼(230)를 통해 공급되는 고형의 필라멘트 재료(410)가 챔버(210)의 내부 공간(215)으로 주입되어 스크류(260)의 회전으로 이송되면서 챔버(210)의 전단부에서 가열수단(220)에 의해 용융되고, 계속적으로 스크류(260)의 회전력으로 토출부(240)로 이송되어 용융된 필라멘트 재료가 노즐(245)을 통해 배출되게 된다.6, a process for manufacturing a filament for FDM in which a reinforcing wire is carried by an apparatus for manufacturing an FDM filament for a rear-side charging type wire according to the embodiment of FIG. 6 will be described with reference to FIG. 7, The solid filament material 410 supplied through the heating unit 230 is injected into the inner space 215 of the chamber 210 and is conveyed by the rotation of the screw 260. At the front end of the chamber 210, And the molten filament material is continuously discharged through the nozzle 245 by being transmitted to the discharge portion 240 by the rotational force of the screw 260. [

여기서 상기 도 5의 실시예와는 상이하게 와이어 피딩부(250)로부터 공급되는 와이어(450)는 스크류(260) 축(261)의 내부에 형성된 와이어 인입 통로(265)를 통해 토출부(240) 내부까지 이송되며, 토출부(240)에서 용융된 필라멘트 재료에 와이어가 담지되어 노즐(245)을 통해 배출된다.5, the wire 450 supplied from the wire feeding part 250 is connected to the discharge part 240 through the wire entry path 265 formed inside the screw shaft 260, And the wire is carried on the molten filament material in the discharging portion 240 and discharged through the nozzle 245. [

노즐(145)을 통해 배출되는 필라멘트 재료(430’)는 내부에 와이어(450’)가 담지되어 경화됨으로써 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트(400)가 제조된다.The filament material 430 'discharged through the nozzle 145 is filled with a wire 450' and hardened to produce the FDM filament 400 carrying the reinforcing wire.

이와 같이 상기 도 7의 실시예를 통해서 와이어 후면 투입 방식으로 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트의 제조가 가능하다.
In this way, it is possible to manufacture the FDM filament in which the reinforcing wire is carried by the rear-side charging method through the embodiment of FIG.

다음으로 상기에서 살펴본 본 발명에 따른 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 이용하는 3차원 프린터에 대하여 살펴보기로 한다.Next, a three-dimensional printer using the filament for FDM carrying the reinforcing wire according to the present invention will be described.

도 8은 본 발명에 따른 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 이용하는 3차원 프린터의 실시예를 도시한다.Fig. 8 shows an embodiment of a three-dimensional printer using a filament for FDM carrying a reinforcing wire according to the present invention.

본 발명에 따른 3차원 프린터(500)는 강화용 와이어(650)가 열가소성 재료(630)에 담지된 FDM용 필라멘트(600)를 공급받는 필라멘트 인입부(510)와 FDM용 필라멘트(600)를 용융시키는 압출기(530)와 용융된 필라멘트를 강화용 와이어와 함께 배출하는 노즐(550)을 포함한다.The three-dimensional printer 500 according to the present invention is a three-dimensional printer 500 according to the present invention in which a reinforcing wire 650 is inserted into a filament inlet portion 510 and a FDM filament 600, which are supplied with the filament 600 for FDM supported on the thermoplastic material 630, And a nozzle 550 for discharging the molten filament together with the reinforcing wire.

좀 더 구체적인 구성을 도 9에 도시된 상기 도 8의 실시예에 대한 단면도를 참조하여 살펴보면, 필라멘트 인입부(510)는 모터(515) 등을 통해 강화용 와이어(650)가 열가소성 재료(630)에 담지된 FDM용 필라멘트(600)를 압출기(530)로 인입시키며, 인입된 FDM용 필라멘트(600)는 압출기(530)에 구비된 코일 등의 가열 수단(535)을 통해 용융된다. 그리고 용융된 열가소성 재료(630’)와 와이어(650)가 함께 배출되는데, 이때 용융된 열가소성 재료(630’)와 와이어(650)가 함께 3차원 프린팅에 따른 구조물의 레이어층을 형성시킨다.9, the filament inlet portion 510 is formed by inserting the reinforcing wire 650 through the motor 515 or the like into the thermoplastic material 630, The FDM filament 600 carried by the extruder 530 is drawn into the extruder 530 and the drawn filament 600 is melted through a heating means 535 such as a coil provided in the extruder 530. The molten thermoplastic material 630 'and the wire 650 are then discharged together, wherein the molten thermoplastic material 630' and the wire 650 together form a layer layer of the structure according to three-dimensional printing.

본 발명에 따른 3차원 프린터(500)는 용융된 열가소성 재료(630’)와 함께 와이어(650)를 배출하므로 기존의 3차원 프린터와는 다르게 와이어(650)를 절단하기 위한 구성이 필요하며, 이를 위해 상기 도 9의 실시예에 도시된 바와 같이 압출기(530)의 끝단에 배출되는 필라멘트를 절단하기 위한 절단부(560)가 배치된다.The three-dimensional printer 500 according to the present invention discharges the wire 650 together with the molten thermoplastic material 630 ', so that a configuration for cutting the wire 650 differently from a conventional three-dimensional printer is required. A cutting portion 560 for cutting the filament discharged to the end of the extruder 530 is disposed as shown in the embodiment of FIG.

상기 도 9의 실시예에서는 절단부(560)에 복수의 칼날(565)을 배치하고 배출되는 필라멘트와 수직방향으로 칼날(565)을 이동시킴으로써 필요시에 배출되는 필라멘트를 절단할 수 있는 구조로서, 칼날(565)의 수직 이동은 다양한 구성을 통해 이루어질 수 있는데, 가령 칼날(565)의 끝단에 스프링이나 압축 프레스 등을 배치함으로써 칼날(565)의 수직 이동을 위한 구동력을 생성시킬 수 있다.In the embodiment of FIG. 9, a plurality of blades 565 are disposed on the cutout 560, and the cutter 565 is moved in a direction perpendicular to the discharged filaments. Vertical movement of the blade 565 can be accomplished through various configurations. For example, by providing a spring or a compression press at the end of the blade 565, a driving force for vertical movement of the blade 565 can be generated.

또한 상기 도 9의 실시예에서 절단부(560)는 압출기(530)의 끝단에 위치되는 것으로 도시되었으나, 상황에 따라서는 절단부가 노즐의 끝단에 위치될 수도 있을 것이다.9, the cut portion 560 is positioned at the end of the extruder 530, but the cut portion may be located at the end of the nozzle according to circumstances.

이와 같은 본 발명에 따른 3차원 프린터를 통해 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 이용하여 입체 구조물의 제작이 가능한데, FDM용 필라멘트를 이루는 열가소성 폴리머 등의 재료는 열배출이 빠를수록 수축이 활발하게 일어나게 되어 입체 구조물의 뒤틀림 현상이 유발되지만, 본 발명에 따른 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트는 3차원 프린팅시에 와이어가 열을 흡수한 후 서서히 배출하게 됨으로써 입체 구조물의 뒤틀림 현상을 제거할 수 있게 된다.In the three-dimensional printer according to the present invention, a three-dimensional structure can be manufactured using the filament for FDM carrying the reinforcing wire. In the material such as the thermoplastic polymer constituting the filament for FDM, The filament for FDM carrying the reinforcing wire according to the present invention gradually absorbs the heat after the wire absorbs heat during the three-dimensional printing, thereby eliminating the distortion of the three-dimensional structure. .

도 10에 도시된 종래기술과 본 발명에 따라 제작된 입체 구조물의 실시예를 참조하여 살펴보면, 상기 도 10의 (a)는 종래기술에 따른 FDM용 필라멘트로 입체 구조물을 제작한 경우로서, 3차원 프린팅을 통해 입체 구조물의 제작시 열수축으로 인해 구조물에 뒤틀린 부분 B가 발생된다. 하지만 상기 도 10의 (b)는 본 발명에 따른 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트로 입체 구조물을 제작한 경우로서, 본 발명을 적용한 경우에 입체 구조물의 뒤틀림 현상이 제거되게 된다.10A and 10B illustrate a case where a three-dimensional structure is fabricated using a filament for FDM according to the prior art, and FIG. During the production of the three-dimensional structure through printing, the twisted portion B is generated in the structure due to the heat shrinkage. However, FIG. 10 (b) shows a case in which a three-dimensional structure is fabricated by the FDM filament carrying the reinforcing wire according to the present invention, and the distortion of the three-dimensional structure is eliminated when the present invention is applied.

이는 상기 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이 3차원 프린팅 수행시에 열가소성 재료와 와이어를 동시에 배출하여 구조물을 형성함으로써 와이어가 열을 흡수한 후 흡수된 열을 서서히 배출함으로써 구조물의 온도를 서서히 냉각시킬 수 있게 되어 열가소성 재료의 급격한 온도 변화에 따른 수축을 방지할 수 있게 된다.As shown in (c) of FIG. 10, at the time of performing the three-dimensional printing, the thermoplastic material and the wire are discharged at the same time to form a structure, so that the wire absorbs the heat and slowly discharges the absorbed heat, It is possible to prevent the shrinkage due to the rapid temperature change of the thermoplastic material.

나아가서 열가소성 재료만으로 제작된 FDM용 필라멘트의 경우에는 열가소성 재료의 특성으로 인해 제작된 입체 구조물의 강도가 낮으며, 열가소성 재료의 밀도를 높여 입체 구조물의 강도를 향상시킨다고 할지라도 강도 향상에 한계가 있으며 그만큼 제작 공정 시간이 오래걸리지만, 본 발명에 따른 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 적용하면 입체 구조물의 내부에 와이어가 적층됨으로써 제작 공정 시간을 늘리지 않고도 입체 구조물의 강도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.Furthermore, in the case of the filament for FDM made only of the thermoplastic material, the strength of the three-dimensional structure produced due to the characteristics of the thermoplastic material is low. Even if the strength of the three-dimensional structure is increased by increasing the density of the thermoplastic material, However, if the filament for FDM carrying the reinforcing wire according to the present invention is applied, the strength of the three-dimensional structure can be greatly improved without lengthening the manufacturing process time by stacking the wires in the three-dimensional structure .

또한 열가소성 재료만으로 제작된 FDM용 필라멘트는 필라멘트 재료의 특성 상 입체 구조물의 높이, 즉 Z축 방향으로 공정 수행이 용이하지 않아 Z축 방향의 정밀도가 떨어지지만, 본 발명에 따른 강화용 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 적용하면 와이어가 일종의 기둥 역할을 수행함으로써 Z축 방향으로도 정밀한 구조물의 제작이 가능하게 된다.
In addition, the FDM filament made only of a thermoplastic material is not easily processed in the height of the three-dimensional structure, that is, in the Z-axis direction due to the characteristics of the filament material, so that the accuracy in the Z-axis direction is inferior. When the filament for FDM is applied, the wire acts as a kind of pillar, so that a precise structure can be manufactured even in the Z axis direction.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments of the present invention are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

100, 200 : FDM용 필라멘트 제조 장치,
110, 210 : 챔버, 120, 220 : 가열 수단,
130, 230 : 호퍼, 140, 240 : 토출부,
150, 250 : 와이어 피딩부, 160, 260 : 스크류,
170, 270 : 스크류 구동부,
500 : 3차원 프린터,
510 : 필라멘트 인입부, 530 : 압출기,
550 : 노즐, 560 : 절단부.
100, and 200: Filament production equipment for FDM,
110, 210: chamber, 120, 220: heating means,
130, 230: Hopper, 140, 240:
150, 250: wire feeder, 160, 260: screw,
170, 270: a screw driver,
500: Three-dimensional printer,
510: filament inlet part, 530: extruder,
550: nozzle, 560: cutting section.

Claims (9)

고형의 열가소성 폴리머를 공급하는 호퍼;
열가소성 폴리머가 주입되는 내부 공간이 형성되며, 후단부에 상기 호퍼가 연결되고 전단부의 외면을 둘러싸며 가열수단이 배치되어 상기 내부 공간으로 주입되는 열가소성 폴리머를 가열하여 용융시키는 챔버;
상기 챔버의 전단부 끝단에 연결되어 용융된 열가소성 폴리머에 와이어를 담지시켜 배출하면서 경화시키는 토출부; 및
상기 토출부에서의 용융된 열가소성 폴리머의 배출 속도에 대응시켜 와이어를 상기 토출부로 인입시키는 와이어 피팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 FDM용 필라멘트 제조 장치.
A hopper for supplying a solid thermoplastic polymer;
A chamber connected to the hopper at a rear end thereof and surrounding the outer surface of the front end portion and having a heating means disposed therein for heating and melting the thermoplastic polymer injected into the inner space;
A discharging unit connected to an end of the front end of the chamber for holding a wire in a melted thermoplastic polymer and discharging the wire while curing; And
And a wire fitting portion for drawing the wire into the discharging portion in correspondence with the discharge speed of the molten thermoplastic polymer in the discharging portion.
제 1 항에 있어서,
상기 챔버의 내부 공간의 길이 방향을 따라 배치된 축과 상기 축의 외면에 사선 방향을 따라 형성된 하나 이상의 날개를 포함하여, 상기 축의 회전에 따라 열가소성 폴리머를 상기 내부 공간의 길이 방향으로 이송시키는 스크류; 및
상기 스크류를 회전시키는 스크류 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 FDM용 필라멘트 제조 장치.
The method according to claim 1,
A screw that includes a shaft disposed along the longitudinal direction of the inner space of the chamber and one or more vanes formed along an oblique direction on the outer surface of the shaft to transfer the thermoplastic polymer in the longitudinal direction of the inner space according to the rotation of the shaft; And
Further comprising a screw driving unit for rotating the screw.
제 2 항에 있어서,
상기 토출부는,
일측에 상기 챔버의 전단부 끝단에 연결되어 용융된 열가소성 폴리머를 공급받는 공급부가 형성되고, 타측에 직경 조절이 가능한 노즐이 형성된 것을 특징으로 하는 FDM용 필라멘트 제조 장치.
3. The method of claim 2,
The discharge unit
And a nozzle connected to an end of the front end of the chamber on one side to form a supply part for supplying the melted thermoplastic polymer and a nozzle capable of adjusting the diameter on the other side.
제 3 항에 있어서,
상기 토출부는,
중단에 상기 와이어 피딩부와 연결되어 와이어를 공급받는 와이어 인입부가 형성된 것을 특징으로 하는 FDM용 필라멘트 제조 장치.
The method of claim 3,
The discharge unit
And a wire withdrawing portion connected to the wire feeding portion to receive the wire is formed at the stop.
제 3 항에 있어서,
상기 스크류의 축은,
내부가 길이방향으로 관통되며, 일측이 상기 투입구의 내면 형상에 대응하여 상기 투입구의 내부까지 연장되어 형성되며,
상기 와이어 피팅부는, 상기 스크류의 축의 타측 끝단에 연결되어 상기 스크류의 축의 관통된 내부를 통해 상기 토출부로 와이어를 인입시키는 것을 특징으로 하는 FDM용 필라멘트 제조 장치.
The method of claim 3,
The shaft of the screw,
Wherein one end of the guide portion extends in the lengthwise direction and extends to the inside of the inlet corresponding to the inner shape of the inlet,
Wherein the wire fitting portion is connected to the other end of the shaft of the screw and draws the wire into the discharge portion through the penetrated inside of the shaft of the screw.
FDM용 필라멘트에 있어서,
외면이 열가소성 폴리머로 형성되되,
내부에 강화용 와이어가 담지된 것을 특징으로 하는 FDM용 필라멘트.
In the filament for FDM,
The outer surface is formed of a thermoplastic polymer,
And a reinforcing wire is carried on the inside of the filament.
제 6 항에 있어서,
상기 필라멘트는 직경이 0.1~3.0mm의 범위인 것을 특징으로 하는 FDM용 필라멘트.
The method according to claim 6,
Wherein the filaments have a diameter ranging from 0.1 to 3.0 mm.
제 6 항에 있어서,
상기 와이어는,
금속, 금속산화물, 세라믹 또는 광섬유로 형성되거나,
외면에 형성되는 열가소성 폴리머보다 융점이 높은 고무, 수지 또는 폴리머로 형성되며,
직경이 1~100um 범위인 것을 특징으로 하는 FDM용 필라멘트.
The method according to claim 6,
The wire
A metal, a metal oxide, a ceramic or an optical fiber,
Resin or polymer having a melting point higher than that of the thermoplastic polymer formed on the outer surface,
Wherein the filaments have a diameter ranging from 1 to 100 mu m.
FDM용 필라멘트를 이용하는 3차원 프린터에 있어서,
와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 공급받는 필라멘트 인입부;
상기 FDM용 필라멘트를 용융시키는 압출기;
용융된 FDM용 필라멘트와 상기 와이어를 함께 배출하는 노즐; 및
상기 압출기 끝단 또는 상기 노즐의 끝단에 배치되어 와이어가 담지된 FDM용 필라멘트를 절단하는 절단부를 포함하는 것을 특징으로 3차원 프린터.
In a three-dimensional printer using filaments for FDM,
A filament inlet portion receiving the filament for FDM carrying the wire;
An extruder for melting the FDM filament;
A nozzle for discharging the melted FDM filament and the wire together; And
And a cut portion disposed at an end of the extruder or at an end of the nozzle to cut the filament for FDM carrying the wire.
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