KR20180001340A - 개별적으로 움직이는 복수의 익스트루더 유닛을 구비한 3ｄ 프린터 및 이를 사용한 3ｄ 프린팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 3D 프린팅이 수행되는 작업대; 필라멘트를 공급받아 토출하는 노즐을 포함하는 복수의 익스트루더 유닛; 상기 익스트루더 유닛을 상기 작업대에 대하여 상대적으로 움직이게 하는 이송부를 포함하며, 상기 이송부는 상하 방향의 움직임을 수행하는 Z축부와 전후 방향의 움직임을 수행하는 Y축부 및 좌우 방향의 움직임을 수행하는 X축부를 포함하며, 상기 익스트루더 유닛들은 상기 X축부 또는 상기 Y축부 중 하나에 모두 설치되고, 상기 익스트루더 유닛들을 상기 X축부 또는 상기 Y축부를 따라서 이동시키기 위한 구동장치를 각각 구비하여 개별적으로 움직일 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 복수의 익스트루더 유닛을 구비하되 각각의 익스트루더 유닛을 움직이는 구동장치를 개별적으로 구비함으로써, 익스트루더 유닛이 복잡해지거나 크기가 커지는 문제없이 재질이나 색상이 다른 필라멘트를 사용하여 3D 프린팅을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 복수의 익스트루더 유닛들이 개별적으로 움직이기 때문에, 복수의 익스트루더 유닛을 함께 움직이는 경우에 비하여, 작은 구동장치를 사용할 수 있고 익스트루더의 이동범위가 넓어지는 효과가 있다.

Description

개별적으로 움직이는 복수의 익스트루더 유닛을 구비한 3Ｄ 프린터 및 이를 사용한 3Ｄ 프린팅 방법{3D PRINTER HAVING A PLURALITY OF EXTRUDERS MOVING INDEPENDENTLY AND 3D PRINTING METHOD BY USING THE SAME}

본 발명은 3D 프린터 및 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 개별적으로 움직이는 복수의 익스트루더 유닛을 구비한 3D 프린터 및 이를 사용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.

근래에 물체에 대한 3D 데이터를 이용하여 그 물건을 그대로 성형할 수 있는 3D 프린터의 사용이 증대되고 있다. 이러한 3D 프린터는 과거에는 대량생산 이전의 모델링이나 샘플 제작과 같은 용도로 활용되었으나, 최근에는 다품종 소량생산 제품을 중심으로 양산가능한 제품의 성형에도 사용될 수 있는 기술적 기반이 조성되고 있어서 앞으로 3D 프린터 시장은 확대일로에 있다.

3D 프린터의 제품성형 방식은 크게 대상물체를 2차원의 평면 형태로 성형한 것을 3차원으로 적층하면서 용융 부착하여 형태를 만들어가는 이른바 첨가형과, 재료덩어리를 조각하듯이 절삭해서 형태를 만들어가는 절삭형이 있다. 그리고 첨가형의 일종으로 열가소성 플라스틱으로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급 릴과 이송롤을 통해 공급하고 공급된 필라멘트를 작업대에 대하여 위치 조절되는 3차원이송기구에 장착된 히터노즐에서 용융시켜서 배출함으로써 2차원 평면 형태를 만들면서 이를 작업대 상에서 적층하여 물체를 3차원으로 성형하는 필라멘트 용융 적층 성형방법이 있다. 필라멘트 용융 적층 성형방법의 경우 필라멘트를 압출하는 익스트루더와 노즐을 포함하는 토출장치를 작업대에 대한 상대적인 XYZ축의 세 방향으로 위치 조절시키는 카르테시안(Cartesian) 방식이 주로 적용되고 있다.

최근 3D 프린터의 활용범위가 넓어지면서 색상이나 재질을 달리하는 원료를 동시에 사용하여 3D 프린팅을 수행할 수 있도록 하려는 노력이 이어지고 있다. 색상이나 재질을 달리한 원료를 사용하여 프린팅하기 위하여, 하나의 노즐에 다양한 필라멘트를 주입할 수 있는 구조(대한민국 등록특허 10-1596854)를 채택하거나 각각 다른 필라멘트가 토출되는 다수의 노즐 중에서 선택적으로 토출하는 구조(대한민국 등록특허 10-1430582, 대한민국 등록특허 10-1589662) 또는 2개의 익스트루더 유닛을 사용하는 구조를 사용하고 있으나, 노즐 또는 익스트루더 유닛들이 함께 움직이는 구조이기 때문에 구동장치가 커지고 3D 프린터의 제조비용이 상승하는 것에 비하여 활용도가 높지 못한 단점이 있다.

대한민국 등록특허 10-1596854 대한민국 등록특허 10-1430582 대한민국 등록특허 10-1589662

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 개별적으로 움직이는 복수의 익스트루더 유닛을 구비한 3D 프린터 및 이를 사용한 3D 프린팅 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 3D 프린터는, 3D 프린팅이 수행되는 작업대; 필라멘트를 공급받아 토출하는 노즐을 포함하는 복수의 익스트루더 유닛; 상기 익스트루더 유닛을 상기 작업대에 대하여 상대적으로 움직이게 하는 이송부를 포함하며, 상기 이송부는 상하 방향의 움직임을 수행하는 Z축부와 전후 방향의 움직임을 수행하는 Y축부 및 좌우 방향의 움직임을 수행하는 X축부를 포함하며, 상기 익스트루더 유닛들은 상기 X축부 또는 상기 Y축부 중 하나에 모두 설치되고, 상기 익스트루더 유닛들을 상기 X축부 또는 상기 Y축부를 따라서 이동시키기 위한 구동장치를 각각 구비하여 개별적으로 움직일 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 X축부 또는 Y축부에 함께 설치된 복수의 익스트루더 유닛을 구비하되, 각각의 익스트루더 유닛을 움직이는 구동장치도 별도로 구비함으로써, 복수의 익스트루더 유닛을 개별적으로 움직일 수 있는 효과가 있다.

이때, 익스트루더 유닛을 움직이는 구동장치는 구동모터와 구동벨트를 포함하여 구성된 것이 바람직하다.

또한, 익스트루더 유닛들은 X축부 또는 Y축부에서 직선 운동을 가이드하기 위한 샤프트에 설치되며, 샤프트가 4 내지 6개로 구성됨으로써, 복수의 익스트루더를 설치하여도 샤프트가 쳐지는 등의 문제를 방지할 수 있다.

나아가, 익스트루더 유닛들 중에 적어도 2개 이상을 동시에 사용하여, 각각의 익스트루더 유닛이 개별 제품을 3D 프린팅할 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 형태에 의한 3D 프린팅 방법은, 상기한 본 발명의 3D 프린터를 사용하여 3D 프린팅을 하는 방법으로서, 복수의 익스트루더 유닛들 중에 적어도 2개 이상을 동시에 사용하여 3D 프린팅을 수행하되, 각각의 익스트루더 유닛을 개별적으로 움직여서, 각 익스트루더 유닛이 개별 제품을 3D 프린팅하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 형태에 의한 3D 프린팅 방법은, 상기한 본 발명의 3D 프린터를 사용하여 3D 프린팅을 하는 방법으로서, 복수의 익스트루더 유닛들을 번갈아가며 사용하여 1개 제품에 대한 3D 프린팅을 수행하되,

복수의 익스트루더 유닛들 각각의 노즐 단부의 높이를 위치센서로 측정하고, 높이 차이만큼 각 익스트루더 유닛의 Z축 정보를 조정하여, 프린팅하는 익스트루더 유닛을 변경할 때에 노즐의 토출 높이 차이만큼 Z축방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 복수의 익스트루더 유닛을 구비하되 각각의 익스트루더 유닛을 움직이는 구동장치를 개별적으로 구비함으로써, 익스트루더 유닛이 복잡해지거나 크기가 커지는 문제없이 재질이나 색상이 다른 필라멘트를 사용하여 3D 프린팅을 수행할 수 있는 효과가 있다.

또한, 복수의 익스트루더 유닛들이 개별적으로 움직이기 때문에, 복수의 익스트루더 유닛을 함께 움직이는 경우에 비하여, 작은 구동장치를 사용할 수 있고 익스트루더의 이동범위가 넓어지는 효과가 있다.

나아가, 복수의 익스트루더 유닛들이 개별적으로 움직이기 때문에, 복수의 익스트루더 유닛 각각이 서로 다른 제품을 동시에 3D 프린팅할 수 있으며, 3D 프린팅의 효율이 향상되고 활용성이 높아지는 효과가 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 실시예의 3D 프린터의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 3D 프린터의 익스트루더 유닛이 X축에 설치된 모습을 확대한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예의 3D 프린터를 사용하여 2개의 제품을 동시에 프린팅하는 경우를 나타낸 도면이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 실시예의 3D 프린터의 내부 구조를 나타낸 도면이다.

본 실시예의 3D 프린터는 좌우의 움직임을 가이드하는 X축부(100)가 전후의 움직임을 가이드하는 Y축부(200)에서 설치된 구조이며, 필라멘트를 주입받아서 노즐을 통해 토출하는 2개의 익스트루더 유닛(300, 400)이 X축부에 설치된다. 이러한 실시예의 구성은 3D 프린터의 익스트루더 유닛을 3축방향으로 이송하는 이송구조의 대표적인 형태에 따른 것일 뿐이고 본 발명이 이러한 구조에 한정된 것은 아니며, 3축방향을 기준으로 3D 프린팅을 수행하는 카르테시안 방식을 기준으로 2개 이상의 익스트루더 유닛이 동일한 축부에 설치된 것이면 본 발명에 해당한다.

도 1은 제1 익스트루더 유닛(300)을 사용하는 경우를 나타낸 사시도이고, 도 3은 제2 익스트루더 유닛(400)을 사용하는 경우를 나타낸 사이도이다. 도 2는 도 1을 위쪽에서 바라본 모습이며, 도 4는 도 3을 위쪽에서 바라본 모습니다.

도시된 것과 같이, 본 실시예의 3D 프린터는 X축부(100)에 제1 익스트루더 유닛(300)과 제2 익스트루더 유닛(400)이 함께 설치되며, 제1 익스트루더 유닛(300)과 제2 익스트루더 유닛(400)을 좌우로 이동시키기 위한 구동장치를 개별적으로 구비한다. 구체적으로 제1 익스트루더 유닛(300)을 이동하기 위한 구동장치로서 제1 구동모터(312)와 제1 구동벨트(314)를 구비하고, 제2 익스트루더 유닛(400)을 이동하기 위한 구동장치로서 제2 구동모터(412)와 제2 구동벨트(414)를 구비하며, 각각의 구동장치는 개별적으로 제어된다.

본 실시예는 단순히 2개의 익스트루더 유닛이 설치된 것만이 아니고, 2개의 익스트루더 유닛들(300, 400)을 개별적으로 움직일 수 있는 구동장치를 각각 구비한 점에서 특징이 있다.

도 1 내지 도 2에 도시된 것과 같이, 제1 익스트루더 유닛(300)만을 사용하는 경우에는 제2 익스트루더 유닛(400)을 X축부(100)의 한쪽 끝으로 이동시켜 두고 제1 구동모터(312)와 제1 구동벨트(314)를 통해서 제1 익스트루더 유닛(300)을 움직여 3D 프린팅을 수행한다.

반대로, 제2 익스트루더 유닛(400)만을 사용하는 경우에는, 도 3 내지 도 4에 도시된 것과 같이, 제1 익스트루더 유닛(300)을 X축부(100)의 한쪽 끝으로 이동시켜 두고 제2 구동모터(412)와 제2 구동벨트(414)를 통해서 제2 익스트루더 유닛(400)을 움직여 3D 프린팅을 수행한다.

다만, 하나의 익스트루더 유닛을 구동할 경우에 다른 하나의 익스트루더 유닛이 X축부의 한쪽 끝에 고정되어 있기 때문에, 익스트루더 유닛의 이동범위가 고정된 익스트루더 유닛에 의해서 일부 제한될 수 있다. 이러한 이동범위의 제한을 피하기 위하여, 3D 프린팅이 수행되는 작업대를 기준으로 X축부의 길이를 길게 구성함으로써, X축부의 양단에 익스트루더 유닛이 대기할 수 있는 대기공간을 마련할 수 있다.

한편, 본 실시예의 구조에서 제3 익스트루더 유닛과 이를 움직이기 위한 제3 구동모터와 제3 구동벨트로 구성된 구동장치를 X축부에 더 포함할 수 있고, 이때에는 하나의 익스트루더 유닛만을 움직이는 경우에 나머지 2개의 익스트루더 유닛을 고정하는 점에서 2개인 경우와 동일하다. 다만, X축의 한쪽으로 2개의 익스트루더 유닛이 고정되는 경우가 발생할 수 있기 때문에, 앞서 살펴본 것과 같이 작업대를 기준으로 익스트루더의 이동 범위를 확보하는 것이 꼭 필요하다.

도 5는 본 실시예에 따른 3D 프린터의 익스트루더 유닛이 X축에 설치된 모습을 확대한 도면이다.

익스트루더 유닛은 X축부에서 이동을 가이드하는 샤프트에 설치된다. 종래의 3D 프린터는 익스트루더가 설치되는 X축 샤프트를 2~3개를 구비하였으나, 본 실시예에 따른 3D 프린터는 4개의 X축 샤프트(110)를 구비함으로써, 2개의 익스트루더 유닛이 설치되어 하중이 증가하였음에도 불구하고 샤프트가 처지는 등의 문제가 없이 안정성을 유지할 수 있다. 이러한 샤프트의 개수를 추가하여 안정성을 높이는 것이 가능하며, 3개의 익스트루더 유닛을 설치하여 하중이 추가되는 경우에는 6개의 샤프트를 사용할 수도 있다.

도 1 내지 도 4에서는, 1개의 제품을 3D 프린트하는 경우 동시에 1개의 익스트루더만을 사용하여 3D프린팅을 수행하는 모습을 도시하였으나, 본 실시예의 3D 프린터는 제1 익스트루더 유닛(300)과 제2 익스트루더 유닛(400)을 함께 사용하여 2개의 제품을 프린팅할 수 있다.

도 6은 2개의 제품을 동시에 프린팅하는 경우를 나타낸 도면이다.

작업대의 공간을 2개로 나누어 왼쪽은 제1 익스트루더 유닛(300)에 의한 3D 프린팅이 수행되고 오른쪽은 제2 익스트루더 유닛(400)에 의한 3D 프린팅이 수행된다. 작업대를 나누어 프린팅을 수행하는 만큼, 프린팅 제품의 크기가 제한되지만, 동시에 2개의 제품을 프린팅함으로써 작업 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.

이때, 2개의 제품은 동일한 모양일 수도 있으나, 제1 익스트루더 유닛(300)과 제2 익스트루더 유닛(400)을 개별적으로 동작시킬 수 있기 때문에 서로 다른 모양의 제품을 3D 프린팅하는 것이 가능하다.

본 실시예의 3D 프린터는 2개의 익스트루더 유닛을 사용하기 때문에, 각각의 익스트루더 유닛의 구조적 차이 및 설치 과정에서의 조절 등의 문제로 인하여, 노즐의 토출 높이에서 차이가 생길 수 있다.

토출 높이 차이가 생긴 경우, 복수의 익스트루더 유닛을 번갈아가며 사용하여 1개의 제품을 3D 프린팅하는 과정에서 문제가 발생한다. 노즐 높이 차이에 의한 문제를 해결하기 위한 방법은 기계적 보정과 소프트웨어적인 보정으로 구분할 수 있다. 기계적 보정은 오토 레벨링(auto leveling)에 의해서 익스트루더 유닛 상호간의 높이를 조절하여 토출 높이를 동일하게 수정하는 방법이다.

소프트웨어적인 보정은, 위치센서를 통해서 노즐의 토출 높이 차이를 감지하고 감지된 높이 차이를 기준으로 익스트루더 유닛들의 토출 높이에 해당하는 Z축 정보를 조정하여, 프린팅하는 익스트루더 유닛을 변경할 때에 노즐의 토출 높이 차이만큼 Z축방향으로 이동하는 방법으로 수행된다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: X축부 110: X축 샤프트
200: Y축부 300: 제1 익스트루더 유닛
312: 제1 구동모터 314: 제1 구동벨트
400: 제2 익스트루더 유닛 412: 제2 구동모터
414: 제2 구동벨트

Claims (6)

1. 3D 프린팅이 수행되는 작업대;
   필라멘트를 공급받아 토출하는 노즐을 포함하는 복수의 익스트루더 유닛;
   상기 익스트루더 유닛을 상기 작업대에 대하여 상대적으로 움직이게 하는 이송부를 포함하며,
   상기 이송부는 상하 방향의 움직임을 수행하는 Z축부와 전후 방향의 움직임을 수행하는 Y축부 및 좌우 방향의 움직임을 수행하는 X축부를 포함하며,
   상기 익스트루더 유닛들은 상기 X축부 또는 상기 Y축부 중 하나에 모두 설치되고,
   상기 익스트루더 유닛들을 상기 X축부 또는 상기 Y축부를 따라서 이동시키기 위한 구동장치를 각각 구비하여 개별적으로 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 구동장치가 구동모터와 구동벨트를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 익스트루더 유닛들은 상기 X축부 또는 상기 Y축부에서 직선 운동을 가이드하기 위한 샤프트에 설치되며,
   상기 샤프트가 4 내지 6개로 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 익스트루더 유닛들 중에 적어도 2개 이상을 동시에 사용하여, 각각의 익스트루더 유닛이 개별 제품을 3D 프린팅할 수 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
   
5. 청구항 1의 3D 프린터를 사용한 3D 프린팅 방법으로서,
   복수의 익스트루더 유닛들 중에 적어도 2개 이상을 동시에 사용하여 3D 프린팅을 수행하되,
   각각의 익스트루더 유닛을 개별적으로 움직여서, 각 익스트루더 유닛이 개별 제품을 3D 프린팅하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
   
6. 청구항 1의 3D 프린터를 사용한 3D 프린팅 방법으로서,
   복수의 익스트루더 유닛들을 번갈아가며 사용하여 1개 제품에 대한 3D 프린팅을 수행하되,
   복수의 익스트루더 유닛들 각각의 노즐 단부의 높이를 위치센서로 측정하고, 높이 차이만큼 각 익스트루더 유닛의 Z축 정보를 조정하여, 프린팅하는 익스트루더 유닛을 변경할 때에 노즐의 토출 높이 차이만큼 Z축방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.

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