3D 프린터의 익스트루더{Extruder for 3-dimentional printer}

본 발명은 3D 프린터의 익스트루더에 관한 것으로, 열가소성 필라멘트 소재를 사용하여 용융 및 적층하는 FDM(Fused Deposition Modeling)방식 3D 프린터의 익스트루더에 관한 것이다.

본 발명은 필라멘트를 이송 및 공급하는 기어드라이브에 탄성복원력을 이용하여 압력을 제공하는 탄성가압수단을 구비함으로써 필라멘트가 일정하게 공급될 수 있도록 한 3D 프린터의 익스트루더에 관한 것이다.

일반적으로 3차원 입체 형상을 가진 시제품을 제작히기 위해서는 도면에 의존하여 수작업에 의해 이루어지는 목합 제작 방식과 CNC 밀링에 의한 제작 방법 등이 널리 알려져 있다.

그러나 목합 제작 방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고 많은 시간이 소요되며, CNC 밀링에 의한 제작 방법은 정교한 수치제어가 가능하지만 공구 간섭으로 인해 가공하기 어려운 형상이 많다.

따라서 최근에는 제품의 디자이너 및 설게자가 CAD나 CAM을 이용하여 3차원 모델링 데이터를 생성하고, 생성한 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방법이 등장하게 되었으며, 이러한 3D 프린터를 산업, 생활, 의학 등 다양한 분야에서 활용하고 있다.

3D 프린터는 재료의 연속적인 레이어를 2차원 프린터와 같이 출력하여 이를 적층함으로써 대상물을 만드는 제조 장치이다. 3D 프린터는 디지털화된 도면 정보를 바탕으로 빠르게 대상물을 제작할 수 있어서 프로토타입 샘플 제작 등에 주로 사용된다.

3D 프린터의 제품 성형방식은 광경화성 재료에 레이저 광선을 주사하여 광주사된 부분을 물체로 성형하는 방식, 성형재료를 절삭하여 성형하는 방식, 열가소성 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식(FDM 방식) 등이 있다.

이러한 방식 중에서 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식의 3D 프린터가 다른 방식의 3D 프린터에 비해 생산 단가가 저렴하므로 필라멘트를 이용하는 3D 프린터가 가정용, 공업용으로 대중화되고 있는 추세이다.

한편, 이러한 3D 프린터용 필라멘트는 인체 및 환경에 무해한 열가소성 수지인 PLA가 소재로 사용되며 제품의 용도에 따라 탈크와 같은 결정핵제를 첨가하여 강도를 높이거나 로 형성된다. 그리고 필라멘튼는

이루어지는데, 인체 및 환경에 무해한 PLA가 필라멘트 소재로 각광받고 있다. 그러나 PLA는 다른 합성수지에 비해 내열성과 난연성이 약하기 때문에, 성형되는 제품의 용도에 따라 탈크를 결정핵제로 사용하여 내열성을 높이거나, Mg(OH) ₂ , Al(OH) 3 등을 충전제로 사용하여 내열성을 높이기도 한다.

3D 프린터 관련 종래 기술로서 대한민국 등록특허 제 10-1346704호에는 다수의 노즐을 구비하여 멀티 칼라 제품의 성형이 가능한 3D 프린터가 개시되어 있다.

그러나, FDM(Fused Deposition Modeling)방식의 3D 프린터의 경우 필라멘트를 지속적으로 이송하여 공급하는 익스트루더에 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

즉, 도 1은 종래 기술에 의한 히터노즐(20)의 종단면도로서, 필라멘트(3)는 한 쌍의 안내롤러(35)가 회전시 마찰에 의해 도입공(22)으로 안내되는 구조이며, 장기간 사용시 한 쌍의 안내롤러(35)는 마모가 발생하여 원활한 안내가 어려워지게 된다.

또한 필라멘트(3)가 원활하게 공급되지 않고 불규칙하게 되면 3D 프린팅 대상물의 형상이 요구하는데로 형성되지 못하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 열가소성 필라멘트 소재를 사용하여 용융 및 적층하는 FDM(Fused Deposition Modeling)방식 3D 프린터의 익스트루더에 있어서, 필라멘트를 이송 및 공급하는 기어드라이브에 탄성복원력을 이용하여 압력을 제공하는 탄성가압수단을 구비함으로써 필라멘트가 일정하게 공급될 수 있도록 한 3D 프린터의 익스트루더를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 필라멘트의 굵기에 상관없이 일정한 공급이 가능하도록 한 3D 프린터의 익스트루더를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더는, 회전동력을 발생하는 동력발생기와, 상기 동력발생기의 일측과 결합하여 지지하는 바디와, 필라멘트가 상기 바디 내부로 안내하는 안내관과, 상기 바디 내부를 경유하는 필라멘트를 동력발생기와 연동하여 이송 강제하는 기어드라이브와, 상기 필라멘트 및 기어드라이브에 탄성복원력을 제공하여 필라멘트와 기어드라이브의 마찰력을 증가시키는 탄성가압수단과, 상기 바디를 관통한 필라멘트를 용융하는 히터카트리지와, 상기 히터카트리지에서 용융된 필라멘트를 사출하는 노즐을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 탄성가압수단은, 상기 바디 일측에 결합 고정되는 블럭과, 상기 블럭 내부에서 기어드라이브와 평행한 회전 중심을 기준으로 자유 회전 가능한 회전체와, 상기 회전체를 관통한 상태로 블럭에 삽입되어 회전체의 회전 중심이 되는 작동회전축과, 상기 블럭 내부에 삽입된 상태로 작동회전축의 외면에 탄성복원력을 제공하는 탄성부재와, 상기 블럭 내부에 삽입된 탄성부재의 일방향 움직임을 제한하는 이탈방지구를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 블럭 일측에는, 상기 작동회전축의 외경보다 큰 폭을 갖도록 천공되어 작동회전축의 외주방향 움직임을 가능하게 하는 축수용홀이 구비됨을 특징으로 한다.

상기 기어드라이브와 회전체는, 필라멘트의 외경 치수보다 작은 최소 이격 거리를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 기어드라이브의 외주면에 대한 접선은, 상기 안내관 내부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 작동회전축과 탄성부재 사이에는, 상기 작동회전축 회전시 탄성부재와의 마찰력을 저감하기 위한 마찰저감부재가 구비됨을 특징으로 한다.

본 발명에서는 열가소성 필라멘트 소재를 사용하여 용융 및 적층하는 FDM(Fused Deposition Modeling)방식 3D 프린터의 익스트루더에 있어서, 필라멘트를 이송 및 공급하는 기어드라이브에 탄성복원력을 이용하여 압력을 제공하는 탄성가압수단을 구비하였다.

따라서, 필라멘트를 일정하게 공급할 수 있으므로 성형된 시제품의 정밀도가 향상될 수 있다.

또한 필라멘트의 굵기에 상관없이 일정한 공급이 가능하므로 사용편의성이 향상되는 이점이 있다.

뿐만 아니라, 필라멘트를 이송하기 위한 기어드라이브 등의 부품이 마모되더라도 일정한 이송능력을 유지할 수 있으므로 유지 및 보수가 용이한 이점이 있다.

도 1 은 종래 기술에 의한 필라멘트 이송 구조를 나타낸 종단면도.
도 2 는 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더 외형을 보인 사시도.
도 3 은 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더 외형을 보인 정면도.
도 4 는 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더에서 요부 구성인 탄성가압수단이 분리된 모습을 보인 사시도.
도 5 는 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더에서 요부 구성인 탄성가압수단의 세부 구성을 보인 분해 사시도.
도 6 은 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더의 내부 구조를 보인 도 3의 A-A'부 종단면도.
도 7 은 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더의 내부 구조를 보인 도 3의 B-B'부 종단면도.
도 8 은 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더의 다른 실시예의 내부 구조를 보인 B-B'부 종단면도.

이하 첨부된 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더(이하 '익스트루더(100)'이라 칭함)의 구성을 설명한다.

도 2에는 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더(100) 외형을 보인 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더(100) 외형을 보인 정면도가 도시되어 있다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 의한 익스트루더(100)는 3D 프린터의 일 구성으로서 외부로부터 필라멘트(F)를 공급받아 내부로 이송하면서 용융 및 분사하기 위한 구성이다.

이를 위해 상기 익스트루더(100)는 회전동력을 발생하는 동력발생기(110)와, 상기 동력발생기(110)의 일측과 결합하여 지지하는 바디(120)와, 필라멘트(F)가 상기 바디(120) 내부로 안내하는 안내관(130)과, 상기 바디(120) 내부를 경유하는 필라멘트(F)를 동력발생기(110)와 연동하여 이송 강제하는 기어드라이브(140)와, 상기 필라멘트(F) 및 기어드라이브(140)에 탄성복원력을 제공하여 필라멘트(F)와 기어드라이브(140)의 마찰력을 증가시키는 탄성가압수단(200)과, 상기 바디(120)를 관통한 필라멘트(F)를 용융하는 히터카트리지(150)와, 상기 히터카트리지(150)에서 용융된 필라멘트(F)를 사출하는 노즐(160)을 포함하여 구성된다.

상기 동력발생기(110)는 익스트루더(100)의 우측 상부에 위치하며 외부로부터 전원을 인가받아 회전동력을 발생한다.

그리고, 상기 동력발생기(110)가 발생한 회전동력은 필라멘트(F)를 이송하는데 사용된다.

상기 동력발생기(110)의 좌측면은 대략 "ㄴ" 형상을 갖는 바디(120)에 결합되어 고정되며, 동력발생기(110)의 동력축(112)은 바디(120)를 관통하여 좌측으로 단부가 돌출되어 있다.

상기 동력축(112)에 대하여 직교하는 방향으로 즉, 상/하 방향으로는 안내관(130)이 구비된다. 상기 안내관(130)은 바디(120)의 좌측부를 상/하 방향으로 관통하도록 구성된 관형상의 구성으로서, 내부에는 필라멘트(F)가 수용될 수 있도록 안내하게 된다.

상기 안내관(130)은 본 발명의 실시예에서 테프론을 소재로 하여 제조되었다.

상기 동력축(112)의 외측에는 기어드라이브(140)가 구비된다. 상기 기어드라이브(140)는 동력발생기(110)가 회전동력을 발생하여 동력축(112)을 회전시킬 때 연동하도록 구성된 것으로, 외면에는 돌기가 형성됨으로써 필라멘트(F)와 접촉하여 강제 이송하게 된다.

상기 기어드라이브(140)의 전방에는 본 발명의 요부 구성인 탄성가압수단(200)이 구비된다. 상기 탄성가압수단(200)은 리어드라이브에 탄성복원력이 전달될 수 있도록 하여 사이에 위치한 필라멘트(F)의 이송이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 구성이다.

상기 탄성가압수단(200)의 세부 구성은 아래에서 상세히 하기로 한다.

상기 바디(120)의 하측에는 히터카트리지(150)가 구비된다. 상기 히터카트리지(150)는 안내관(130)을 통해 하측 방향으로 이송되는 필라멘트(F)를 가열하여 용융하기 위한 구성으로, 필라멘트(F)를 가열할 수 있는 범위 내라면 다양한 발열기로 변경 적용 가능하다.

상기 히터카트리지(150)의 하측에는 노즐(160)이 구비된다. 상기 노즐(160)은 히터카트리지(150) 내부에서 용융된 필라멘트(F)를 익스트루더(100) 외부로 사출하기 위한 구성으로, 상기 안내관(130) 및 히터카트리지(150)의 내부와 연통하도록 구성된다.

한편, 상기 히터카트리지(150)와 바디(120) 사이에는 연결관(170)이 구비된다. 상기 연결관(170)은 히터카트리지(150)가 바디(120)에 일정 간격 이격된 상태를 유지하면서 고정될 수 있도록 하는 구성으로, 상기 히터카트리 내부에서 용융된 액상의 필라멘트(F)를 노즐(160)로 안내하는 역할을 수행한다.

이하 첨부된 도 4 및 도 5를 참조하여 상기 탄성가압수단(200)의 세부 구성을 설명한다.

도 4에는 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더(100)에서 요부 구성인 탄성가압수단(200)이 분리된 모습을 보인 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더(100)에서 요부 구성인 탄성가압수단(200)의 세부 구성을 보인 분해 사시도가 도시되어 있다.

먼저 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 탄성가압수단(200)은 다수의 체결부재(B)에 의해 바디(120)에 결합된 상태를 유지하며, 상기 체결부재(B)를 풀어 바디(120)로부터 도 4와 같이 분리 가능하다.

그리고 상기 탄성가압수단(200)이 위치한 곳의 후방으로는 기어드라이브(140)가 위치하며, 기어드라이브(140)의 상/하부에는 안내관(130)이 구비되어 있다.

따라서 상기 안내관(130)을 통해 바디(120) 내부로 안내된 필라멘트(F)는 기어드라이브(140)와 탄성가압수단(200) 사이를 지나면서 아래로 이송 강제될 수 있다.

상기 탄성가압수단(200)을 보다 상세히 살펴보면, 상기 탄성가압수단(200)은, 바디(120) 일측에 결합 고정되는 블럭(210)과, 상기 블럭(210) 내부에서 기어드라이브(140)와 평행한 회전 중심을 기준으로 자유 회전 가능한 회전체(220)와, 상기 회전체(220)를 관통한 상태로 블럭(210)에 삽입되어 회전체(220)의 회전 중심이 되는 작동회전축(230)과, 상기 블럭(210) 내부에 삽입된 상태로 작동회전축(230)의 외면에 탄성복원력을 제공하는 탄성부재(240)와, 상기 블럭(210) 내부에 삽입된 탄성부재(240)의 일방향 움직임을 제한하는 이탈방지구(250)를 포함하여 구성된다.

상기 블럭(210)은 대략 중앙 하부에 전/후 방향으로 절제된 수용부(212)가 구비되며 상부와 하부에 전술한 체결부재(B)가 체결되기 위한 체결홀(214)가 천공되어 있다.

따라서, 상기 체결홀(214)을 관통한 체결부재(B)의 단부가 바디(120)에 체결되면 상기 블럭(210)은 바디(120)로부터 분리되지 않게된다.

상기 바디(120)의 좌/우 방향으로는 축수용홀(216)이 천공 형성된다. 상기 축수용홀(216)은 작동회전축(230)이 수용되는 곳으로, 작동회전축(230)의 외경 크기보다 큰 폭을 갖도록 장공으로 형성된다.

그리고, 상기 작동회전축(230)은 탄성부재(240)가 탄서복원력을 발생하는 방향과 대응하는 방향으로 긴 폭을 갖도록 형성된다.

상기 축수용홀(216) 전방으로는 탄성부재수용홀(218)이 천공 형성된다. 상기 탄성부재수용홀(218)은 탄성부재(240)의 직경보다 큰 내경을 갖도록 구성되어 내부에 탄성부재(240)를 수용할 수 있게 된다.

그리고, 상기 탄성부재수용홀(218)은 축수용홀(216)과 직교하면서 연통하게 된다. 따라서 상기 축수용홀(216) 내부에 작동회전축(230)이 삽입된 상태에서 탄성부재수용홀(218)에 탄성부재(240)를 삽입하게 되면 상기 탄성부재(240)의 후단부는 작동회전축(230)과 접촉할 수 있게 된다.

상기 회전체(220)는 작동회전축(230)을 기준으로 회전 가능한 것으로, 중앙부는 작동회전축(230)의 외경과 대응하는 내경을 갖도록 구멍이 형성되며, 상기 수용부(212) 내부에 수용된 상태로 회전 가능하다.

그리고 상기 회전체(220)는 후반부가 블럭(210)의 후면보다 후방으로 더 돌출되어 상기 기어드라이브(140)와 근접하도록 배치됨으로써 필라멘트(F)의 외경보다 작은 이격 거리를 갖는다.

즉, 상기 회전체(220)의 외주면과 기어드라이브(140)의 외면이 서로 이격된 최소 이격거리(작동회전축(230)이 축수용홀(216)의 후반부에 위치하는 상태일 때)는 필라멘트(F)의 외경보다 작도록 설계된다.

상기 탄성부재수용홀(218)의 내부 전반부에는 이탈방지구(250)가 구비된다. 상기 이탈방지구(250)는 탄성부재수용홀(218) 내부에 삽입시에 나사 체결됨으로써 상기 탄성부재(240)가 전방으로 이탈되지 않도록 구속하는 구성이다.

따라서 상기 탄성부재(240)는 이탈방지구(250)의 삽입 깊이에 따라 탄성복원력의 크기 조정이 가능하다.

상기 수용부(212) 내부에 회전체(220)가 수용되고, 회전체(220)의 중앙에 형성된 구멍과 축수용홀(216)에 작동회전축(230)이 동시에 삽입되면 상기 회전체(220)는 작동회전축(230)을 기준으로 회전 가능하다.

그리고, 상기 탄성부재수용홀(218) 내부에 탄성부재(240)를 삽입한 후 상기 이탈방지구(250)를 탄성부재수용홀(218)에 나사 결합하게 되면 도 7과 같이 익스트루더(100)의 조립이 완성된 상태가 되며, 상기 탄성부재(240)는 탄성복원력을 발생하여 작동회전축(230)을 밀어내게 된다(도 6의 화살표 참조).

이때 도 6과 같이 상기 기어드라이브(140)의 외주면에 대한 접선은 상기 안내관(130)의 내부에 위치하게 된다.

이하 첨부된 도 2 및 도 6 내지 도 8을 참조하여 상기와 같이 구성되는 익스트루더(100)의 작용을 설명한다.

도 6에는 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더(100)의 내부 구조를 보인 도 3의 A-A'부 종단면도가 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더(100)의 내부 구조를 보인 도 3의 B-B'부 종단면도가 도시되어 있으며, 도 8에는 본 발명에 의한 3D 프린터의 익스트루더(100)의 다른 실시예의 내부 구조를 보인 B-B'부 종단면도가 도시되어 있다.

먼저 도 2와 같이 안내관(130) 내부에 필라멘트(F)가 삽입된 상태에서 익스트루더(100)를 동작시키게 되면, 동력발생기(110)는 회전동력을 발생하여 기어드라이브(140)를 회전시키게 된다.

이때 상기 히터카트리지(150)는 발열하여 필라멘트(F)를 용융시킬 수 있는 상태이다.

그리고 상기 탄성부재(240)는 이탈방지구(250)에 의해 탄성부재수용홀(218) 내부에 갇힌 상태로 작동회전축(230)에 탄성복원력을 제공하게 되며, 상기 작동회전축(230)은 회전체(220)와 함께 우측 방향(도 7 참조)으로 이송되어 기어드라이브(140)와 근접하게 된다.

상기 기어드라이브(140)와 회전체(220) 사이에는 필라멘트(F)가 위치하여 가압되고 상기 기어드라이브(140)는 동력발생기(110)로부터 제공받은 회전동력으로 회전하며, 상기 기어드라이브(140)의 외면에 형성된 돌기는 필라멘트(F)의 외면과 접촉하면서 큰 마찰력을 발생하여 하측 방향으로 원활하게 이송할 수 있게 된다.

만일 상기 기어드라이브(140)의 돌기가 마모되거나 회전체(220)의 외경이 줄어들더라도 상기 탄성부재(240)는 항상 탄성복원력을 발생하고 있고, 이러한 탄성복원력은 작동회전축(230)에 전달되어 축수용홀(216)의 폭 방향으로 밀어내게 되어 있으므로 상기 필라멘트(F)는 동력발생기(110)의 동작시 연동 가능하다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어 본 발명의 실시예에서 작동회전축(230)은 탄성부재(240)와 직접적으로 접촉하여 탄성복원력에 의해 필라멘트(F)를 가압하도록 구성하였으나, 도 8과 같이 작동회전축(230)과 탄성부재(240) 사이에는, 작동회전축(230) 회전시 탄성부재(240)와의 마찰력을 저감하기 위한 마찰저감부재(260)가 더 구비될 수 있음은 물론이다.

100. 익스트루더 110. 동력발생기
112. 동력축 120. 바디
130. 안내관 140. 기어드라이브
150. 히터카트리지 160. 노즐
170. 연결관 200. 탄성가압수단
210. 블럭 212. 수용부
214. 체결홀 216. 축수용홀
218. 탄성부재수용홀 220. 회전체
230. 작동회전축 240. 탄성부재
250. 이탈방지구 260. 마찰저감부재
B . 체결부재 F . 필라멘트