3D printer의 필라멘트 삽입 및 운반을 개선하기 위한 윤활 방법

3D printer의 필라멘트 삽입 및 운반을 개선하기 위한 윤활 방법 {Lubrication method for better filament insertion and delivery for 3d printing}

본 발명은 장비 내부로의 원활한 소모품 공급 및 가공을 위한 것으로써, 사용자가 제품을 가동할 시 장비 내부로 필라멘트 공급이 지속적으로 매끄럽게 되지 않거나 공급 후 정해진 대로 구동이 원활하게 되지 않는 부분을 개선하기 위한 방안이다.

유체윤활은 접촉면이 윤활제에 의하여 완전히 분리된 상태로 마찰을 감소시키는 기술이다. 이 경우에 접촉표면에 걸리는 하중은 모두 접촉면의 상대운동에 의해 발생되는 유압에 의하여 지지되게 된다. 따라서 접촉 표면의 마모는 매우 작으며 마찰손실도 오직 윤활막 내에서 이루어 지게 된다. 유체 윤활시의 최소 유막두께는 0.008 - 0.020 mm 정도이며 마찰계수는 0.002 - 0.01 범위이다. 이와 같이 두 개의 마찰면 (필라멘트면과 extruder 내벽) 이 식물성 기름막에 의해서 완전히 그 사이가 막혀 있을 경우 마찰면의 단위폭 당 마찰력의 크기는 마찰속도, 마찰면적, 유막의 두께 및 기름의 점성에 의해 결정된다.

FDM 방식의 3D printer는 제품을 만들어주는 재료로써 filament 형태의 플라스틱을 사용하는데, 필라멘트가 스텝 모터에 의해 가이드를 따라 이동하면서 extruder까지 닿게 된다. 이때 플라스틱을 녹이기 위해 190℃~260℃의 고온으로 열처리를 하게 되면 플라스틱 필라멘트가 녹으면서 제품마다 정해진 크기(0.2~0.5mm)의 노즐을 통해 압출된 필라멘트가 나오는데, 각 플라스틱이 고유하게 가지는 유리화 온도 (glass temperature)에 다다르면 플라스틱 끝부분이 녹아 결정화(crystallization) 과정이 진행되게 되고, 굳어진 플라스틱이 축적되면 노즐 막힘 현상의 원인이 된다.

문제의 해결을 위해 윤활 과정이 필요하므로 플라스틱의 결정화가 진행되어 노즐 막힘 현상이 발생될 시 아래 항목에 있는 식물성 기름 중 하나를 선택해 1 cc를 덜어 필라멘트 하단 겉면에 문지르듯이 발라준다. 적합한 식물성 기름은 용융점 (smoke point)이 200℃~250℃ 사이에 있는 것으로써 필라멘트를 가열했을 시에도 원래 액체 기름상태의 분자구조를 유지하고 있어야 한다. 식물성 기름의 도포가 굳어진 필라멘트의 표면 마찰을 크게 감소시키게 되어 extruder 안으로 로딩되어 들어가는 과정에서 윤활 전에 비해 훨씬 부드럽게 들어가는 효과가 나타난다. 동물성 지방의 경우 육류의 가공과정에서 나오는 부산물이기 때문에 가격이 저렴하다는 이점이 있지만 이것은 포화 탄화수소의 형태이기 때문에 쉽게 고체화되는 단점이 있다.

식물성 기름으로 필라멘트 도포 시 굳어있던 필라멘트 끝 부분이 extruder 안으로 부드럽게 로딩되어 가열되면서 다시 녹아 노즐 구멍을 통해 흘러나오게 된다. 굳어진 필라멘트 끝부분이 결정화가 이미 진행되어 무정형의 모양으로 굳어져 있는 경우. 필라멘트를 모터로 하여금 마찰없이 노즐까지 feeding 할 수 있게 하는 윤활 역할을 해줌으로써 사용자들이 제품 출력 시 필라멘트 공급의 끊김 현상 없이 원활하게 출력물을 layer-by-layer로 적층 할 수 있게 도와준다.

3D프린터의 출력재료로 사용되는 필라멘트의 끊김현상을 방지하기 위해 사용하는 윤활제는 용융점이 필라멘트와 비슷한 식물성 기름을 선택하여야 한다. 이에 적합한 식물성 기름은 용융점 (smoke point)이 200℃~250℃ 사이에 있는 것으로써 필라멘트를 가열했을 시에도 원래 액체 기름상태의 분자구조를 유지하고 있어야 한다. 식물성 기름의 도포가 굳어진 필라멘트의 표면 마찰을 크게 감소시키게 되어 extruder 안으로 로딩되어 들어가는 과정에서 윤활 전에 비해 훨씬 부드럽게 들어가는 효과가 있으며, 따라서 필라멘트의 출력중 끊김현상을 방지할 수 있게 된다.