KR101885175B1 - 다종소재 3차원 프린팅 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온가열 스크류 타입 디스펜서, FDM 디스펜서, 미가열 스크류 타입 디스펜서, 광경화 폴리머 디스펜서 등과 같은 여러 종류의 디스펜서를 3차원 프린팅 시스템에 장착함으로써 다종소재를 이용한 3차원 프린팅이 가능하며, 각각의 디스펜서는 터렛 형태의 회전부로 시스템에 장착됨으로써 장비 크기가 최소화되는 다종소재 3차원 프린팅 시스템에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 케이싱, 디스펜싱 모듈, 적층부를 포함한다. 상기 디스펜싱모듈은 회전서보모터, 회전축, 디스펜싱 모듈 본체, 디스펜서, 디스펜서 서보터를 포함하며, 상기 디스펜서 중 적어도 하나는 고온 가열 스크류 타입 디스펜서로 구성되는 제 1 디스펜서이며, 상기 제 1 디스펜서는, 제 1 성형재료를 공급하는 제 1 공급부, 상기 제 1 공급부와 연결되어 상기 제 1 성형재료를 이송하는 제 1 이송관, 상기 제 1 이송관으로부터 상기 제 1 성형재료를 공급받아 수용하는 제 1 실린더; 상기 제 1 실린더 내부에 배치되어 상기 제 1 성형재료를 압출하는 제 1 압출부재, 및 상기 제 1 공급부와 상기 제 1 이송관과 상기 제 1 실린더 전체를 가열하는 제 1 히터유닛, 상기 제 1 압출부재를 구동시키는 제 1 구동부재, 및 상기 제 1 압출부재로부터 상기 제 1 구동부재로 전달되는 열을 최소화시키는 제 1 열저항유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템을 제공한다.

Description

다종소재 3차원 프린팅 시스템{Multi-material 3D printing system}

본 발명은 다종소재 3차원 프린팅 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온가열 스크류 타입 디스펜서, FDM 디스펜서, 미가열 스크류 타입 디스펜서, 광경화 폴리머 디스펜서 등과 같은 여러 종류의 디스펜서를 3차원 프린팅 시스템에 장착함으로써 다종소재를 이용한 3차원 프린팅이 가능하며, 각각의 디스펜서는 터렛 형태의 회전부로 시스템에 장착됨으로써 장비 크기가 최소화되는 다종소재 3차원 프린팅 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 3D 프린팅 기술은 청사진, 도면 등의 2D 평면 인쇄와 달리 입체적으로 형상을 구현 및 복제하는 기술이며, 불과 수 시간 정도의 짧은 시간에 제품 모습을 그대로 제작해 낼 수 있어 산업 전반에 걸쳐 기획부터 제품 생산에 이르기까지 많은 변화를 야기했다.

3D 프린팅 기술은 기존에 사용하던 평면 프린팅 방식을 개선하여 출력물을 단계별로 쌓아 실제 모양을 만들어 내게 되며, 의료산업에서는 치아 모형, 수술 전 모의수술 실험용 형상 등에 사용되고 있고, 건설산업에서는 소형 건축물 및 실시간 건축 디자인 형상 제작에 실제로 적용되고 있다.

또한, 3차원 프린팅 기술은 이미 제작된 형상물을 복제하거나, 3차원 컴퓨터 지원 설계(CAD)를 이용해 만든 형상을 실물로 제작함으로써 설계 오차를 줄이고 리버스 엔지니어링(완성된 제품을 상세히 분석해 기본적인 설계내용을 추적) 설계가 이루어질 수 있도록 해주고 있다.

이와 같은 일을 가능케 하는 3차원 프린터는 물건을 찍어내는 실물 복제기로서, 물체를 3차원으로 설계해 컴퓨터 파일을 CAD 방식으로 만든 후 3D 프린터에 구비되는 실린더에서 압출부재를 통해 용융된 폴리머 또는 용융된 금속 파우더 등을 분사하여 설계 모양대로 제품을 형성한다.

하지만, 종래의 3차원 프린터는 일반적으로 한 종류의 재료만 프린팅이 가능한 것으로서 PCB 기판 등 여러 가지 소재로 제작되는 제품을 프린팅 하는데 어려움이 따르며, 단일 디스펜서로 여러 가지 소재를 압출하기 어려운 문제점이 있다.

따라서 여러 가지 소재를 압출하기 위해 제작된 기존의 다종소재 프린터의 경우 일부 폴리머 소재와 실버 페이스트 또는 땜납 등을 프린팅 할 수 있으나 재료에 제한이 있고, 프린팅 정밀도도 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 3D 프린터에서 성형재료를 액체 상태로 분사될 수 있도록 실린더 내부에 있는 파우더 및 고체 형태의 성형재료를 용융시키는 히터는 그 온도가 성형재료를 용융시키는 적정한 온도에 부합되지 않을 경우 여러 가지 문제점이 발생하게 된다.

예를 들면, 성형재료 중 하나인 폴리머 소재는 적절한 온도로 열이 가해지지 않을 경우 정밀한 토출이 어려워져 결과적으로 제품의 불량을 야기시키는 문제점이 있다.

또한, 성형재료가 금속소재일 경우 실린더의 온도가 기준온도보다 조금만 낮아져도 고체화되어 성형재료를 분사하는 노즐을 막아 제품 제작에 어려움이 발생할 수 있게 되고, 실린더 및 디스펜서의 변형을 야기시키는 문제점이 있다.

뿐만 아니라 성형재료로부터 고온으로 열 전달된 압출부재는, 압출부재를 구동시키는 구동부재로 고온의 열을 전달하게 되고, 이는 구동부재의 잦은 고장 및 손상을 야기해 경제적으로 손실을 초래하는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제 10-0601471호 (발명의 명칭: 다중 분사 방식을 이용한 인쇄회로기판의 제조방법, 공고일: 2006년 7월 7일)

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 고온가열 스크류 타입 디스펜서, FDM 디스펜서, 미가열 스크류 타입 디스펜서, 광경화 폴리머 디스펜서 등과 같은 여러 종류의 디스펜서를 3차원 프린팅 시스템에 장착함으로써 다종소재를 이용한 3차원 프린팅이 가능하며, 각각의 디스펜서는 터렛 형태의 회전부로 시스템에 장착됨으로써 장비 크기가 최소화되는 다종소재 3차원 프린팅 시스템을 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상부지지대, 수직지지대 및 하부지지대로 구성되는 케이싱; 상기 상부지지대와 결합되는 디스펜싱 모듈; 상기 하부지지대와 결합되는 적층부;를 포함하되, 상기 디스펜싱 모듈은, 상기 상부지지대에 장착되어 있는 회전서보모터; 상기 회전서보모터에 연결된 회전축; 상기 회전축과 연결되어 회전하는 디스펜싱 모듈 본체; 상기 디스펜싱 모듈 본체에 적어도 두 개 이상 결합되며, 상기 적층부로 성형재료를 적층하는 디스펜서부; 및 상기 디스펜서부를 각각 상하로 이동시키는 디스펜서 서보모터;를 포함하고, 상기 디스펜서부 중 적어도 하나는 고온 가열 스크류 타입 디스펜서로 구성되는 제 1 디스펜서이며, 상기 제 1 디스펜서는, 제 1 성형재료를 공급하는 제 1 공급부; 상기 제 1 공급부와 연결되어 상기 제 1 성형재료를 이송하는 제 1 이송관; 상기 제 1 이송관으로부터 상기 제 1 성형재료를 공급받아 수용하는 제 1 실린더; 상기 제 1 실린더 내부에 배치되어 상기 제 1 성형재료를 압출하는 제 1 압출부재; 상기 제 1 공급부와 상기 제 1 이송관과 상기 제 1 실린더 전체를 가열하는 제 1 히터유닛; 상기 제 1 압출부재를 구동시키는 제 1 구동부재; 및 상기 제 1 압출부재로부터 상기 제 1 구동부재로 전달되는 열을 최소화시키는 제 1 열저항유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템을 제공한다.

상기 디스펜서부는 고온 가열 스크류 타입 디스펜서로 구성되는 상기 제 1 디스펜서, FDM 디스펜서로 구성되는 제 2 디스펜서, 미가열 스크류 타입 디스펜서로 구성되는 제 3 디스펜서 및 광경화 폴리머 디스펜서인 제 4 디스펜서를 포함할 수 있다.

상기 회전서보모터에 의해 상기 디스펜싱 모듈 본체가 회전하여 상기 제 1 디스펜서 내지 상기 제 4 디스펜서 중 어느 하나가 압출가능위치에 배치되는 경우에 상기 제 1 디스펜서 내지 상기 제 4 디스펜서 중 어느 하나가 성형재료를 압출할 수 있다.

상기 적층부는 상기 디스펜서부에서 압출되는 성형재료가 적층되는 적층블럭과, 상기 하부지지대 상에 배치되어 상기 적층블럭을 전후좌우로 이송시키는 적층블럭 이송부와, 상기 적층블럭 측면에 배치되어 상기 제 1 디스펜서 내지 상기 제 4 디스펜서에 장착된 노즐 끝단의 위치를 자동으로 측정하는 z축 센서와, 상기 적층블럭을 가열 또는 냉각하는 적층블럭 온도조절부를 포함할 수 있다.

상기 제 1 열저항유닛은 선접촉으로 열전달을 최소화하는 기어열일 수 있다.

상기 제 1 히터유닛은 제 1 공급부 히터, 제 1 이송관 히터, 제 1 실린더 히터를 포함하며, 상기 제 1 실린더 히터는 상기 제 1 실린더에 열구배가 형성될 수 있도록 다단히터로 이루어질 수 있다.

상기 다단히터는 상기 제 1 실린더의 길이방향으로 각각 길이가 다른 2개 이상의 히터로 이루어질 수 있다.

상기 제 1 실린더는 상기 제 1 실린더의 길이방향으로 각각 열전도율이 다른 2개 이상의 재질로 이루어질 수 있다.

상기 제 2 디스펜서는 제 2 성형재료를 공급하는 제 2 공급부와, 상기 제 2 공급부로부터 상기 제 2 성형재료를 공급받아 수용하는 제 2 실린더부와, 상기 제 2 실린더부 내부에 배치되어 상기 제 2 성형재료를 압출하는 제 2 압출부재와, 상기 제 2 실린더부를 가열하는 제 2 히터유닛 및 상기 제 2 압출부재를 구동시키는 제 2 구동부재를 포함할 수 있다.

상기 제 3 디스펜서는 가열이 필요하지 않은 점성을 가지는 제 3 성형재료를 압출하며, 상기 제 3 디스펜서는 상기 제 3 성형재료를 공급하는 제 3 공급부와, 상기 제 3 공급부와 연결되어 상기 제 3 성형재료를 이송하는 제 3 이송관과, 상기 제 3 이송관으로부터 상기 제 3 성형재료를 공급받아 수용하는 제 3 실린더와, 상기 제 3 실린더 내부에 배치되어 상기 제 3 성형재료를 압출하는 제 3 압출부재 및 상기 제 3 압출부재를 구동시키는 제 3 구동부재를 포함할 수 있다.

상기 제 4 디스펜서는 빛 또는 레이저에 의해 경화되는 제 4 성형재료를 압출하며, 상기 제 4 디스펜서는 상기 제 4 성형재료를 공급하는 제 4 공급부와, 상기 제 4 공급부와 연결되어 상기 제 4 성형재료를 이송하는 제 4 이송관과, 상기 제 4 이송관으로부터 상기 제 4 성형재료를 공급받아 수용하는 제 4 실린더와, 상기 제 4 실린더 내부에 배치되어 상기 제 4 성형재료를 상기 적층부로 압출하는 제 4 압출부재와, 상기 제 4 압출부재를 구동시키는 제 4 구동부재 및 상기 적층부로 압출된 상기 제 4 성형재료를 경화시키는 조사부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 다종소재 3차원 프린팅 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 여러 종류의 디스펜서를 3차원 프린팅 시스템에 장착함으로써 다종의 소재를 동시에 이용하여 하나의 제품을 만드는 3차원 프린팅이 가능해지는 이점이 있다.

둘째, 각각의 디스펜서를 터렛 형태의 회전부로 3차원 프린팅 시스템에 장착시킴으로써 장비의 크기가 최소화되는 이점이 있다.

셋째, 디스펜서중 적어도 하나를 고온 가열 스크류 타입 디스펜서로 구성하고, 고온 가열 스크류 타입 디스펜서의 제 1 공급부, 제 1 이송부 및 제 1 실린더를 모두 가열함으로써 성형재료의 종류에 따라 점도를 유지 또는 제어할 수 있어 정량토출 및 정밀토출이 가능하게 되는 이점이 있다.

넷째, 고온 가열 스크류 타입 디스펜서의 제 1 실린더 히터를 제 1 실린더의 길이방향으로 각각 길이가 다른 2개 이상의 다단 히터로 구성하거나, 제 1 실린더를 길이방향으로 각각 열전도율이 다른 2개 이상의 재질로 구성함으로써 제 1 실린더에 열구배를 형성할 수 있어, 성형재료의 종류에 따라 점도를 조절하여 정량토출 및 정밀토출이 가능하게 되는 이점이 있다.

다섯째, 고온 가열 스크류 타입 디스펜서의 제 1 압출부재와 제 1 구동부재 사이에 제 1 열저항유닛을 배치시킴으로써 제 1 구동부재로 전달되는 열을 최소화하여 제 1 구동부재의 제어를 정밀하게 할 수 있으며, 수명을 연장할 수 있고, 오동작을 예방할 수 있는 이점이 있다.

여섯째, 고온 가열 스크류 타입 디스펜서의 제 1 압출부재와 제 1 구동부재 사이에 구동력을 전달하는 매체의 재질을 열전도율이 낮은 매체를 사용함으로써, 열전달을 최소화하여 제 1 구동부재의 수명을 연장하며, 가공비 및 재료비를 절감할 수 있는 이점이 있다.

일곱째, 각 디스펜서에 장착된 노즐 끝단의 위치를 자동적으로 측정할 수 있으며, 이에 따라 노즐의 형상, 길이 등이 변경되어도 적층블럭 위에 항상 일정한 높이로 프린팅이 가능한 이점이 있다.

여덟째, 성형재료가 적층되는 적층블럭의 온도를 조절할 수 있게되어, 소결이 필요한 실버 페이스트 등과 같은 재료를 프린팅한 후 적층블럭의 온도를 조절함으로써 프린팅 과정 이후 바로 적층블럭에서 소결이 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다종소재 3차원 프린팅 시스템의 일 실시 예의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 다종소재 3차원 프린팅 시스템에 있어서, 디스펜싱 모듈의 일 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 6은 도 1의 다종소재 3차원 프린팅 시스템에 있어서, 적층부의 일 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 다종소재 3차원 프린팅 시스템에 있어서, 제 1 디스펜서의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 제 1 디스펜서에 있어서, 제 1 실린더 히터의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 위치에 따른 단면을 저면에서 나타낸 도면이다.
도 10은 도 8의 변형 예들을 나타낸 도면이다.
도 11은 도 7의 제 1 디스펜서에 있어서, 제 1 실린더의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 도 7의 제 1 디스펜서에 있어서, 본 발명에 따른 제 1 실린더와 제 1 실린더 히터를 통해 발생되는 제 1 실린더의 열구배를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 7의 제 1 디스펜서에 있어서, 기어열과 제 1 열저항유닛의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 도 13의 기어열의 변형 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 도 1의 다종소재 3차원 프린팅 시스템에 있어서, z축 센서의 위치를 도시한 도면이다.

이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1 내지 도 15를 참조하여 본 발명에 따른 다종소재 3차원 프린팅 시스템을 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다종소재 3차원 프린팅 시스템은 케이싱, 디스펜싱 모듈, 적층부 및 제어부를 포함한다.

상기 케이싱은 상부지지대(11), 수직지지대(12) 및 하부지지대(13)로 구성되어 있으며, 본 발명에 따른 다종소재 3차원 프린팅 시스템의 외관을 형성한다.

상기 디스펜싱 모듈은 상기 상부지지대(11)와 결합되며, 회전서보모터(M), 회전축(R), 디스펜싱 모듈 본체 및 디스펜서부를 포함한다.

상기 회전서보모터(M)는 상기 상부지지대(11)와 결합되며 상기 회전축(R)을 중심으로 상기 디스펜싱 모듈 본체를 회전시킨다.

상기 디스펜서부는 상기 디스펜싱 모듈 본체에 적어도 두 개 이상 결합되어 있으며, 상기 디스펜서부 중 적어도 하나는 고온 가열 스크류 타입 디스펜서로 구성되는 제 1 디스펜서(30)이다.

후술하겠지만, 본 발명에 따른 상기 디스펜서부는 고온 가열 스크류 타입 디스펜서로 구성되는 상기 제 1 디스펜서(30)와 함께 FDM 디스펜서로 구성되는 제 2 디스펜서(40), 미가열 스크류 타입 디스펜서로 구성되는 제 3 디스펜서(50) 및 광경화 폴리머 디스펜서인 제 4 디스펜서(60)를 포함한다. 다만, 상기 디스펜서부를 구성하는 디스펜서의 종류는 상술한 고온 가열 스크류 타입 디스펜서, FDM 디스펜서, 미가열 스크류 타입 디스펜서 또는 광경화 폴리머 디스펜서 이외의 사용되는 목적과 제작하고자 하는 대상물에 따라 변경 가능하다.

상기 디스펜싱 모듈 본체는 상기 회전축(R)과 연결되어 있으며, 상기 회전축(R)을 중심으로 상기 회전서보모터(M)에서 전달되는 동력을 통해 회전함으로써 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 상기 제 4 디스펜서(60)의 위치를 조정한다.

즉, 제작하고자 하는 대상물이 적어도 2개 이상의 재질로 구성되는 경우, 대상물의 형상을 형성하기 위하여 적층되어야 하는 성형재료는 대상물의 설계에 따른 높이 및 위치에 따라 각기 다른 종류로 사용되어야 한다.

따라서, 대상물의 형성하기 위한 설계에 대응되도록 성형재료를 적층하기 위해서는 상기 제어부에서 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 제 4 디스펜서(60) 중 하나의 디스펜서에 구동명령을 전달하여 구동될 수 있도록 해야 하며, 상기 제어부에서 하나의 디스펜서로 전달되는 구동명령은 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 제 4 디스펜서(60)가 압출가능 위치에 배치될 수 있도록 먼저 상기 회전서보모터(M)를 통해 상기 디스펜싱 모듈 본체를 회전시킴으로써 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 상기 제 4 디스펜서(60)의 위치를 조정한다.

상기 회전서보모터(M)에 의해 상기 디스펜싱 모듈 본체가 회전하여 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 상기 제 4 디스펜서(60) 중 어느 하나가 상기 압출가능위치에 배치되는 경우에만 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 상기 제 4 디스펜서(60) 중 어느 하나가 성형재료를 압출할 수 있게 된다. 즉 성형재료가 압출되는 위치의 기준을 가지게 됨으로써 설계에 따른 대상물의 적층을 용이하게 진행할 수 있게 된다.

상기 압출가능위치에 배치된 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 상기 제 4 디스펜서(60) 중 하나는 설계에 맞게 대상물을 적층하게 되는데, 이때 형성하고자 하는 대상물의 형상에 따라 상기 압출가능위치에 위치하는 상기 디스펜서부는 상하로 이동하고, 상기 적층부가 전후좌우로 이동하면서 성형재료를 적층하게 된다.

먼저, 도 2 내지 도 4를 참조하여 상기 디스펜서부의 상하 이동을 설명하면 다음과 같다.

상기 제 1 디스펜서(30) 내지 상기 제 4 디스펜서(60)를 상하로 이동시키기 위하여 상기 디스펜싱 모듈 본체는 제 1 디스펜서(30) 이송모듈 내지 제 4 디스펜서(60) 이송모듈을 포함하며, 본 명세서에서는 상기 제 4 디스펜서(60) 이송모듈을 기준으로 설명한다.

상기 제 4 디스펜서(60) 이송모듈은 제 4 디스펜서 고정부(741), 제 4 디스펜서 결합부(745), 제 4 디스펜서 이송부(746), 제 4 디스펜서 이송중심축(742), 제 4 디스펜서 이송레일부(743) 및 제 4 디스펜서 이탈방지부(744)를 포함한다.

상기 제 4 디스펜서 이송부(746)는 상기 제 4 디스펜서 이송부(746)의 중심부를 관통하며 상기 제 4 디스펜서 이송부(746)의 이동을 돕는 상기 제 4 디스펜서 이송중심축(742) 및 상기 제 4 디스펜서 이송부(746)의 양측과 연결되어 있는 상기 제 4 디스펜서 이송레일부(743)를 기준으로 상기 제 4 디스펜서(60)를 이송시키는 제 4 디스펜서(60) 서보모터에 의해 상하로 이송된다.

상기 제 4 디스펜서 이송중심축(742)은 나사산을 가지는 볼트 형상을 가지고 있고, 상기 제 4 디스펜서 이송중심축(742)와 연결되어 있는 상기 제 4 디스펜서 이송부(746)의 중심부의 내측은 상기 제 4 이스펜서 이송중심축과 맞물리도록 너트 형상을 가지고 있어 상기 제 4 디스펜서 이송중심축(742)이 상기 제 4 디스펜서(60) 서보모터에 의해 회전함으로써 상기 제 4 디스펜서 이송부(746)를 상하로 이동시킬 수 있다.

상기 제 4 디스펜서 이탈방지부(744)는 상기 제 4 디스펜서 이송부(746)가 상하로 이동되면서 상기 제 4 디스펜서 이송중심축(742) 및 상기 제 4 디스펜서 이송레일부(743)로부터 이탈하는 것을 방지한다.

상기 제 4 디스펜서 결합부(745)는 상기 제 4 디스펜서 이송부(746)와 상기 제 4 디스펜서 고정부(741)를 결합시키며, 상기제 4 디스펜서 결합부(745)가 상기 제 4 디스펜서(60)와 결합됨으로써 결과적으로 상기 제 4 디스펜서(60)를 상하로 이송시킴으로써 제작하고자 하는 대상물의 설계에 대응되도록 형상을 형성하도록 한다.

도 5 내지 도 6을 참조하여 형성하고자 하는 대상물의 형상에 따라 전후좌우로 이동하면서 상기 디스펜서부로부터 압출되는 성형재료가 설계에 대응되도록 적층될 수 있게 이동하는 상기 적층부를 설명하면 다음과 같다.

상기 적층부는 적층블럭(21), 적층블럭 이송부, z축 센서(24) 및 적층블럭 온도조절부(미도시)를 포함한다.

상기 적층블럭(21)은 상기 적층블럭 이송부에 의해 전후좌우로 이동되며, 상기 디스펜서부에서 압출되는 성형재료가 적층된다.

상기 적층블럭 이송부는 상기 하부지지대(13) 상에 배치되며, 상기 적층블럭(21)을 x축으로 이송시키는 x축 이송부(23)와, y축으로 이송시키는 y축 이송부(22)를 포함한다.

상기 x축 이송부(23)는 상기 적층블럭(21)과 연결되어 있어 상기 적층블럭(21)을 x축을 기준으로 이동될 수 있도록 하며, 상기 y축 이송부(22)는 상기 x축 이송부(23)와 연결되어 있어 상기 x축 이송부(23)를 y축 기준으로 이동시킴으로써 결과적으로 상기 적층블럭(21)을 y축으로 이동시킨다.

상기 적층블럭(21)이 상기 x축 이송부(23)를 기준으로 이동되는 과정을 설명하면 다음과 같다.

상기 x축 이송부(23)는 x축 상부하우징(23a), x축 하부하우징(23b), x축 레일부(23c), x축 중심축(23d), x축 모터(23e), x축 이탈방지부(23f), x축 이송블럭(23g), x축 적층블럭 결합부(23h), x축 센서(23i)를 포함한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 x축 상부하우징(23a)이 상기 적층블럭(21)을 관통하여 배치됨으로써 상기 x축 이송부(23)와 상기 적층블럭(21)이 연결될 수 있게 되고, 상기 적층블럭(21)이 관통되어 상기 x축 이송부(23)와 연결됨으로써 상기 적층블럭(21)의 상부는 성형재료가 적층되고, 상기 적층블럭(21) 하부는 상기 x축 적층블럭 결합부(23h) 및 상기 x축 이송블럭(23g)과 결합됨으로써 상기 적층블럭(21)이 x축을 기준으로 이동될 수 있게 된다.

상기 적층블럭(21)의 하부는 상기 x축 적층블럭 결합부(23h)와 상기 x축 이송블럭(23g)과 결합되어 있고, 상기 x축 적층블럭 결합부(23h)와 상기 x축 이송블럭(23g) 이동에 의해 상기 적층블럭(21)이 x축을 기준으로 이동된다.

상기 x축 이송블럭(23g)은 상기 x축 이송블럭(23g)의 중심부를 관통하여 배치되는 상기 x축 중심축(23d)의 구동에 의해 이동하게 되며, 상기 x축 중심축(23d)은 나사산을 가지는 볼트형상을 가지고 있고, 상기 x축 중심축(23d)과 연결되어 있는 x축 이송블럭(23g) 중심부의 내측은 상기 x축 중심축(23d)과 맞물리도록 너트형상을 가지고 있어 상기 x축 중심축(23d)이 상기 x축 모터(23e)에 의해 회전하게 되면 상기 x축 이송블럭(23g)은 상기 x축 중심축(23d)의 회전방향을 따라 x축을 기준으로 이동될 수 있게 된다.

상기 x축 이송블럭(23g)이 이동됨에 따라 상기 적층블럭(21)의 하부와 결합되어 있는 x축 적층블럭 결합부(23h)는 상기 x축 레일부(23c)를 따라 이동하게 됨으로써 상기 x축 적층블럭(21)의 양측을 지지하며 상기 x축 적층블럭(21)의 이동을 돕는다.

상기 x축 이탈방지부(23f)는 상기 x축 이송블럭(23g)이 상기 x축 중심축(23d)을 기준으로 이동되면서 상기 x축 중심축(23d)으로부터 이탈하는 것을 방지한다.

상기 x축 모터(23e)는 상기 제어부의 제어명령에 의해 상기 x축 중심축(23d)을 회전시키는 방향을 결정함으로써 상기 x축 이송블럭(23g)을 이동시키고, 상기 x축 이송블럭(23g)의 위치는 상기 하부하우징 내에 배치되어 있는 x축 센서(23i)를 통해 파악함으로써 상기 x축 모터(23e)의 구동방향을 결정할 수 있게 된다.

상기 x축 이송부(23)가 상기 y축 이송부(22)를 기준으로 이송되는 과정은 상기 적층블럭(21)이 상기 x축 이송부(23)를 기준으로 이동되는 과정과 대응되므로 생략한다.

상술한 상기 디스펜싱 모듈 본체와 상기 적층부의 이동을 통해 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 상기 제 4 디스펜서(60)는 형성하고자 하는 대상물을 설계에 대응되게 제작할 수 있게 된다.

상기 z축 센서는 도 15에 도시된 바와 같이 상기 적층블럭(21)의 측면에 결합되어 있으며, 상기 디스펜서부의 영점위치를 조정하고, 상기 디스펜서부의 이동에 따른 상기 디스펜서부의 높이 위치를 파악한다.

구체적으로, 상기 z축 센서(24)는 접촉식 센서로 구성될 수 있으며, 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 제 4 디스펜서(60)의 초기 위치 즉 영점을 자동으로 조절할 수 있다.

상기 제 1 디스펜서(30) 내지 제 4 디스펜서(60)의 영점을 조정하기 위하여, 먼저 실제 프린팅을 진행하기 전에 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 제 4 디스펜서(60)가 상기 z축 센서(24)와 수직한 위치에 배치된 후 z방향으로 내려오면서 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 제 4 디스펜서(60)의 노즐 끝단과 상기 z축 센서(24)가 접촉되도록 한다.

이때 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 제 4 디스펜서(60)와 상기 z축 센서(24)가 접촉된 위치를 각 디스펜서의 영점으로 조정하며, 상기 z축 센서(24)는 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 제 4 디스펜서(60)의 위치를 파악하는 위치센서의 역할도 수행할 수 있다.

이로 인하여 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 제 4 디스펜서(60)가 프린팅을 진행하는 과정에서 z축 방향으로 이동하는 중에도 각각의 디스펜서의 노즐 위치를 파악할 수 있게 됨으로써 상기 제 1 디스펜서(30) 내지 제 4 디스펜서(60)의 z방향 이동을 제어할 수 있게 된다.

상기 적층블럭 온도조절부는 상기 적층블럭을 가열 또는 냉각시키며, 펠티어 소자 또는 이외의 다양한 냉온 장치로 구성될 수 있다. 상기 적층블럭 온도조절부는 상기 적층블럭을 0℃ 내지 200℃로 가열 및 냉각시킨다.

이는 상기 제 1 디스펜서, 상기 제 2 디스펜서 및 상기 제 4 디스펜서에서 분사되는 폴리머를 사용하여 프린팅 할 때 상기 적층블럭 온도조절부를 이용하여 상기 적층블럭의 온도를 가열시킴으로써 프린팅되는 형상특성을 보다 좋게 할 수도 있고, 상기 제 3 디스펜서에서 분사되는 성형재료 중 하나인 실버 페이스트와 같이 소결이 필요한 재료의 경우에는 상기 적층블럭 온도조절부를 이용하여 상기 적층블럭의 온도를 상기 적층블럭 상부에 적층된 성형재료를 소결시키는 온도로 가열시킴으로써 바로 소결할 수도 있다.

도 7 내지 도 14를 참조하여 본 발명에 따른 제 1 디스펜서(30)의 일 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제 1 디스펜서(30)는 제 1 공급부(310), 제 1 이송관(320), 제 1 실린더(330), 노즐(330a), 제 1 압출부재(340), 제 1 히터유닛(352, 353, 354), 제 1 구동부재(360), 제 1 열저항유닛 및 실링부(380)를 포함하며, 상기 제 1 디스펜서(30)는 가열을 하면 용융되어 점성을 가지는 제 1 성형재료를 압출한다.

상기 제 1 공급부(310)는 제 1 실린더(330)로 제 1 성형재료를 공급하며, 상기 제 1 성형재료로는 금속, 폴리머, 광경화수지 등이 있으며, 제작하고자 하는 형상 및 목적에 따라 성형재료를 선택한다.

상기 제 1 공급부(310)는 공압으로 작동되는 피스톤(미도시)에 의하여 파우더 형태 또는 젤 형태의 제 1 성형재료를 후술하는 제 1 이송관(320)으로 공급한다.

상기 제 1 이송관(320)은 일단이 상기 제 1 공급부(310)와 결합되고, 타단이 상기 제 1 실린더(330)에 결합되어 상기 제 1 성형재료가 상기 제 1 공급부(310)로부터 상기 제 1 실린더(330)로 이송되도록 한다.

상기 제 1 실린더(330)는 상기 제 1 이송관(320)으로부터 상기 제 1 성형재료를 공급받아 수용하며, 상기 제 1 실린더(330) 하부 끝단에는 상기 제 1 성형재료가 분사되는 노즐(330a)이 배치되어 있다.

상기 제 1 실린더(330)는 일반적으로 스테인리스 스틸로 이루어지며, 후술하겠지만, 상기 제 1 실린더(330)는 길이방향으로 각각 열전도율이 다른 2개 이상의 재질로 이루어질 수도 있다.

상기 제 1 압출부재(340)는 상기 제 1 실린더(330) 내부에 배치되며, 상기 제 1 실린더(330) 내부에 수용되어 용융된 상기 제 1 성형재료가 상기 노즐(330a)을 따라 분사될 수 있도록 압출한다. 상기 제 1 압출부재(340)는 용융된 제 1 성형재료를 분사할 수 있도록 피스톤 형태일 수도 있고, 나사형태의 스크류일 수도 있다. 일 실시예로 상기 제 1 압출부재(340)는 스크류의 형태로 이루어져서 회전량에 따라서 성형재료의 일정량을 토출할 수 있으며, 필요에 따라서 상기 제 1 실린더(330) 벽면에 스크류에 대응하는 홈(그루브)이 생성될 수도 있다.

상기 제 1 압출부재(340)의 재질은 스테인리스 스틸 등 일반적인 소재가 사용될 수 있으나, 300도 이상에서 변형 없이 견딜 수 있는 세라믹, 바이톤 등 상기 히터유닛에서 가하는 고온에 열에 대해 내열성을 가지는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 히터유닛은 상기 제 1 공급부(310), 상기 제 1 이송관(320) 및 상기 제 1 실린더(330) 전체를 가열하도록 구성되며, 상기 제 1 공급부(310), 상기 제 1 이송관(320) 및 상기 제 1 실린더(330)의 각 부분에 배치될 수도 있고, 전체를 블록으로 하여 전체에 히터를 구비하여도 무방하다. 또한, 상기 제 1 공급부(310), 상기 제 1 이송관(320) 및 상기 제 1 실린더(330)의 일부에만 배치되고 열전도도가 높은 재료로 전체를 가열할 수도 있다. 전체를 가열함으로써 제 1 성형재료의 종류나 형태에 따라서, 점도를 일정하게 유지하거나 제어할 수 있다. 일 실시예로서 상기 히터유닛은 제 1 공급부 히터(351), 제 1 이송관 히터(353) 및 제 1 실린더 히터(352)를 포함할 수 있다.

상기 제 1 공급부 히터(351)는 상기 제 1 공급부(310) 측에 배치되어 상기 제 1 공급부(310)를 가열한다. 일 실시예로서 상기 제 1 공급부 히터(351)는 봉 형태의 가열봉이며 제 1 공급부(310)를 기준으로 원주방향으로 하나 또는 그 이상 배치될 수 있다. 상기 제 1 공급부 히터(351)는 제 1 공급부(310)를 일정하게 가열함으로써 공급되는 제 1 성형재료를 일정온도로 용융시킨다.

상기 제 1 이송관 히터(353)는 상기 제 1 이송관(320) 측에 배치되어 상기 제 1 이송관(320)을 가열함으로써 상기 제 1 공급부(310)로부터 이송되는 상기 제 1 성형재료가 상기 제 1 이송관(320)부를 거치면서 고체화 되지 않고 용이하게 이송되도록 한다. 일 실시예로서 상기 제 1 이송관 히터(353) 역시 이송관을 따라서 봉 형태로 하나 또는 그 이상 배치될 수 있다.

상기 제 1 실린더 히터(352)는 상기 제 1 실린더(330) 측에 배치되어 상기 제 1 실린더(330)를 가열함으로써 상기 제 1 실린더(330) 내부에 수용된 상기 제 1 성형재료가 상기 노즐(330a)을 통해 액체 상태로 용이하게 분사될 수 있도록 상기 제 1 성형재료를 전체적으로 모두 용융시키며, 상기 제 1 실린더 히터(352)는 상기 제 1 실린더(330) 내부의 온도가 최고 300℃까지 가열될 수 있는 온도로 상승할 수 있다.

상기 제 1 실린더 히터(352)도 상기 제 1 공급부 히터(351) 및 제 1 이송관 히터(353)와 마찬가지로 봉 형태로 원주방향에 하나 또는 그 이상 설치될 수 있다.

상기 히터유닛은 앞에서 설명한 바와 같이 전체적으로 하나의 열원으로부터 가열되어 열전도도가 높은 재료, 예를 들어 스테인리스 스틸, 황동 등의 실링부(380)를 통하여 전체적으로 상기 제 1 공급부(310), 제 1 이송관(320) 및 제 1 실린더(330)를 가열할 수 있다.

또한, 앞에서 설명한 바와 같이 각각 제 1 공급부 히터(351), 제 1 이송관 히터(353), 제 1 실린더 히터(352)를 통하여 전체적으로 가열할 수도 있으며, 상기 제 1 성형재료에 따라서 그 온도를 각 히터별로 달리 할 수 있다. 즉, 제 1 공급부 히터(351)의 온도로부터 제 1 이송관 히터(353), 제 1 실린더 히터(352)까지 온도 구배를 가질 수도 있다.

제어장치(미도시)를 사용하여 각 히터(351, 352, 353)의 온도를 제어할 수 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이 하나의 히터로 이루어진 히터유닛으로 전체적으로 가열하여 일정한 온도를 유지할 수도 있다. 제어장치는 일반적으로 사용되는 전류제어장치를 사용할 수 있다.

상기 제 1 실린더 히터(352)는 상기 제 1 실린더(330)에 열구배가 형성될 수 있도록 다단 히터로 이루어질 수 있으며, 다단 히터로 이루어짐으로써 상기 제 1 성형재료의 온도를 효과적으로 제어하여 열손실을 줄이고 정량토출 및 정밀 토출할 수 있다.

다단 히터는 상기 제 1 실린더(330)에 여러 가지 형태로 장착될 수 있다. 예를 들어 실린더의 상부(이송관과 가까운 부분)로부터 하부(노즐에 가까운 부분)에 이르기까지 별도의 히터(미도시)를 장착할 수도 있다. 바람직하게는 상기 제 1 실린더 히터(352)는 상기 제 1 실린더(330)의 원주방향으로 서로 다른 길이를 갖는 봉 형태가 될 수 있다. 여기서, 봉 형태는 원형봉일 수도 있지만, 사각, 삼각 등 다각형 형태로 될 수 있으며, “봉”의 형태에 한정되지 않고, 이와 유사한 기능을 가질 수 있는 형태일 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실린더 히터(352)는 상기 노즐(330a)이 위치하는 일단으로부터 상기 제 1 실린더(330)의 길이방향을 따라 상기 제 1 실린더(330)의 타단까지 형성되는 제 1 히터(352a)와, 상기 제 1 실린더(330)의 일단으로부터 상기 제 1 실린더(330)의 길이방향을 따라 형성되고, 상기 제 1 히터(352a)보다 길이가 짧은 제 2 히터(352b)와, 상기 제 1 실린더(330)의 일단으로부터 상기 제 1 실린더(330)의 길이방향을 따라 형성되고, 상기 제 2 히터(352b)보다 길이가 짧은 제 3 히터(352c)와, 상기 제 1 실린더(330)의 일단으로부터 상기 제 1 실린더(330)의 길이방향을 따라 형성되고, 상기 제 3 히터(352c)보다 길이가 짧은 제 4 히터(352d)를 포함할 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 히터(352a) 내지 상기 제 4 히터(352d)는 서로 이격되어 배치되어 있으며, 상기 제 1 실린더(330)의 A-A'에 해당하는 영역은 상기 제 1 히터(352a)만이 해당 영역을 가열하고, 상기 제 1 실린더(330)의 B-B'에 해당하는 영역은 상기 제 1 히터(352a) 및 상기 제 2 히터(352b)가 해당 영역을 가열하고, 상기 제 1 실린더(330)의 C-C'에 해당하는 영역은 상기 제 1 히터(352a) 내지 상기 제 3 히터(352c)가 해당 영역을 가열하고, 상기 제 1 실린더(330)의 D-D'에 해당하는 영역은 상기 제 1 히터(352a) 내지 상기 제 4 히터(352d)가 해당영역을 가열하게 되며, 상기 히터유닛을 제어하는 제어부(미도시)에 의하여 상기 제 1 히터(352a) 내지 제 4 히터(352d)의 가열 온도 및 가열 여부가 결정된다.

이에 따라, 상기 제 1 히터(352a) 내지 제 4 히터(352d)가 상기 제어부에 의해 일정한 온도로 상기 제 1 실린더(330)를 가열하게 되는 경우, 상기 제 1 실린더(330)의 A-A'에 해당하는 영역보다 상기 제 1 실린더(330)의 B-B'에 해당하는 영역이 보다 빠르게 가열되고, 상기 제 1 실린더(330)의 B-B'에 해당하는 영역보다 상기 제 1 실린더(330)의 C-C'에 해당하는 영역이 보다 빠르게 가열되며, 상기 제 1 실린더(330)의 C-C'에 해당하는 영역보다 상기 제 1 실린더(330)의 D-D'에 해당하는 영역이 보다 빠르게 가열되므로 상기 제 1 실린더(330)가 상기 노즐(330a) 측으로 향할수록 높은 온도를 가지는 열구배가 형성된다.

따라서, 상기 제 1 실린더(330) 내부에 수용되는 상기 제 1 성형재료는 상기 노즐(330a) 측으로 향할수록 높아지는 온도에 의해 완전히 용융되어 상기 노즐(330a)을 통해 정량으로 분사될 수 있으며, 이에 따라 설계에 대응되도록 형상을 불량 없이 제작할 수 있게 된다.

또한, 상기 제 1 실린더 히터(352)에 의하여 상기 제 1 실린더(330)가 상기 노즐(330a) 측으로 향할수록 높은 열구배를 가지게 되므로, 상기 제 1 성형재료가 상기 노즐(330a)에서 고체화되어 상기 제 1 성형재료의 분사를 방해하는 문제를 방지할 수 있게 된다.

본 일 실시 예에서는 4개의 히터를 사용하였지만, 히터는 2개 이상이면 위와 같은 효과를 발휘할 수 있으며, 본 발명은 히터의 개수에 한정되지 않는다.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실린더 히터(352)는 상기 제 1 실린더(330)의 일단으로부터 길이방향으로 연장 형성되지 않고 상기 제 1 실린더(330)를 가열하고자 하는 영역의 길이만큼 형성하여 해당 영역에 배치됨으로써 상기 제 1 실린더(330) 내부에 수용되는 상기 제 1 성형재료를 가열할 수 있다.

예를 들어 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실린더(330) 외측에 배치되고, 상기 제 1 실린더(330)의 타단에서부터 가열하고자 하는 영역의 길이만큼 연장형성되는 제 5 히터(352e)와, 상기 제 5 히터(352e)와 이격되어 배치되면서 상기 제 1 실린더(330)의 일단으로부터 가열하고자 하는 영역의 길이만큼 연장형성되는 제 6 히터(352f)를 이용하여 상기 제 1 실린더(330)를 가열시킴으로써, 상기 실린더 내부에 수용되어 있는 상기 제 1 성형재료를 온도 구배를 두어 가열할 수 있다.

또한, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실린더(330) 외측에 배치되고, 상기 제 1 실린더(330)의 타단에서부터 가열하고자 하는 영역의 길이만큼 연장형성되는 제 7 히터(352g)와, 상기 제 7 히터(352g)와 동일선상에 배치되며, 상기 제 1 실린더(330)의 일단으로부터 가열하고자 하는 영역의 길이만큼 연장형성되는 제 8 히터(352h)와, 상기 제 7 히터(352g) 및 상기 제 8 히터(352h)와 이격되어 배치되면서 상기 제 1 실린더(330)의 일단으로부터 가열하고자 하는 영역의 길이만큼 연장형성되는 제 9 히터(352i)를 이용하여 상기 제 1 실린더(330)를 가열시킴으로써, 상기 실린더 내부에 수용되어 있는 상기 제 1 성형재료를 온도 구배를 두어 가열할 수 있다.

상기 제 5 히터(352e) 내지 상기 제 9 히터(352i)는 상기 제어부에 의하여 가열 온도가 제어되며, 상기 제 1 실린더(330)에 배치되는 상기 제 5 히터(352e) 내지 상기 제 9 히터(352i)의 위치에 따라 가열 온도를 각기 달리하여 상기 제 1 성형재료가 상기 노즐(330a)을 통해 정량적으로 정밀하게 분사되도록 상기 제 1 실린더(330)를 가열시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 제 1 디스펜서(30)는 상술한 것처럼 상기 제 1 실린더(330)를 길이방향으로 각각 열전도율이 다른 2개 이상의 재질로 구성함으로써 상기 제 1 실린더(330) 내부의 열구배를 형성하여 효율적으로 상기 제 1 성형재료를 용융시킬 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실린더(330)는 상기 노즐(330a)와 연결되어 있는 제 1 실린더부(331)와, 상기 제 1 실린더부(331)와 연결되며 상기 제 1 실린더부(331)를 구성하는 재질보다 낮은 열전도율을 가지는 제 2 실린더부(332)와, 상기 제 2 실린더부(332)와 연결되며 상기 제 2 실린더부(332)를 구성하는 재질보다 낮은 열전도율을 가지는 제 3 실린더부(333)와, 상기 제 3 실린더부(333)와 연결되며 상기 제 3 실린더부(333)를 구성하는 재질보다 낮은 열전도율을 가지는 제 4 실린더부(334)로 구성될 수 있다.

이에 따라, 상기 제 1 실린더(330) 외부에 배치된 상기 제 1 실린더 히터(352)가 상기 제 1 실린더(330)를 전체적으로 일정한 온도로 가열할 경우에도 상기 제 1 실린더(330)가 타단에서 일단으로 향할수록 높은 열전도율을 가지는 재질로 구성되어 있으므로, 상기 제 1 실린더(330)의 내부는 상기 노즐(330a) 측으로 향할수록 높은 온도를 가지는 열구배가 형성되어 상기 노즐(330a)에서 상기 제 1 성형재료가 고체화되지 않고 정량으로 정밀하게 토출될 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에서는 서로 다른 재질의 4개의 실린더부를 개시하고 있지만, 서로 다른 재질의 2개 이상의 실린더부로 이루어지기만 해도 된다. 또한, 3개 이상의 실린더부를 구비하는 경우에 하나 이상이 동일한 재질로 이루어질 수도 있다.

또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실린더(330)를 길이방향으로 각각 열전도율이 다른 2개 이상의 재질로 구성함과 동시에 상기 제 1 실린더(330) 외부에 배치되는 상기 제 1 실린더 히터(352)를 상기 제 1 실린더(330)에 열구배가 형성될 수 있도록 다단 히터로 구성함으로써 상기 제 1 실린더(330) 내부의 열구배를 보다 극대화하여 상기 제 1 성형재료를 용융시킬 수 있다.

물론, 상기 히터유닛은 상기 제 1 공급부 히터(351), 상기 제 1 이송관 히터(353), 상기 제 1 실린더 히터(352)로 나뉘지 않고, 전체적으로 상기 제 1 공급부(310)와 상기 제 1 이송관(320)과 상기 제 1 실린더(330)를 가열할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 상기 제 1 성형재료는 상기 제 1 실린더(330)를 가열하는 상기 제 1 실린더 히터(352)의 배치 및 이에 따른 열구배뿐만 아니라, 상기 제 1 실린더(330)를 구성하는 재질의 열전도율을 통해 고체화됨 없이 상기 노즐(330a)로 정밀하고 정량적으로 분사될 수 있게 된다.

상기 실링부(380)는 상기 제 1 공급부(310), 상기 제 1 이송관(320), 상기 제 1 실린더(330)가 외부로부터 전달되는 열로부터 단열되고, 상기 히터유닛으로부터 발생되는 열이 외부로 전달되는 것을 방지할 수 있도록 상기 제 1 공급부(310), 상기 제 1 이송관(320), 상기 제 1 실린더(330)를 동시에 감싸며 형성된다. 상술한 바와 같이, 상기 실링부(380)에 하나의 히터(미도시)를 구비하여 전체를 가열할 수도 있다.

상기 제 1 구동부재(360)는 상기 제 1 압출부재(340)를 구동시키며, 일반적으로 구동모터가 사용될 수 있으나 상기 제 1 압출부재(340)를 구동시킬 수 있는 구동원이면 엔진, 또는 하이브리드 구성 등 여러 가지 구성이 사용될 수 있다.

상기 제 1 압출부재(340)는 상술한 히터유닛의 영향을 받아 고온에서 작동되며, 그 온도가 매우 높아 상기 제 1 압출부재(340)를 구동하는 상기 제 1 구동부재(360)에 좋지 않은 영향을 미친다. 고온이 상기 제 1 구동부재(360)에 전달됨으로써 작동불능 또는 오작동 등이 발생될 수 있으며, 정량토출 및 정밀토출이 어려울 수 있다.

따라서 상기 제 1 구동부재(360)와 제 1 압출부재(340) 사이에는 서로의 열전달을 차단시켜줄 수 있는 제 1 열저항유닛을 구비한다. 제 1 열저항유닛은 전달되는 열을 최소화하여 상기 제 1 구동부재(360)를 보호하고 정밀제어가 가능하도록 하는 역할을 한다.

바람직한 일 실시예로 상기 제 1 열저항유닛은 선 접촉을 통해 상기 히터유닛으로 인하여 고온으로 가열된 상기 제 1 압출부재(340)로부터 상기 제 1 구동부재(360)로 전달되는 열을 최소화시키는 기어열을 포함한다.

구체적으로, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 제 1 열저항유닛은 하우징(371)을 더 포함하고, 상기 기어열은 상기 하우징(371) 내부에 배치되며 상기 제 1 구동부재(360)와 결합되어 상기 제 1 구동부재(360)의 동력에 의해 회전하는 제 1 기어(140a)와, 상기 제 1 압출부재(340)에 결합되어 있으며, 상기 제 1 기어(140a)와 맞물려 있어 상기 제 1 기어(140a)가 회전함에 따라 동시에 회전하여 상기 제 1 압출부재(340)를 회전시키는 제 2 기어(360a)를 포함한다.

상기 제 1 압출부재(340)가 상기 제 1 구동부재(360)에 직접적으로 연결되어 회전되는 것이 아니라, 상기 기어열을 사용하여 구동 단계를 추가함에 따라 상기 제 1 압출부재(340)로부터 상기 제 1 구동부재(360)로 전달되는 열을 저감시킬 수 있게 되므로, 열에 의해 발생되는 상기 제 1 구동부재(360)의 잦은 고장 및 손상을 줄이게 되므로 이에 따른 경제적으로 손실을 방지할 수 있게 된다.

상기 제 1 구동부재(360)로 전달되는 열을 더 저감시키기 위하여, 상기 제 1 기어(140a) 또는 상기 제 2 기어(360a)는 열전도율이 낮은 내열성 폴리머 또는 세라믹의 재질로 구성될 수도 있다.

또한, 상기 제 1 기어(140a)와 상기 제 2 기어(360a) 사이에 중간기어(미도시)를 더 배치하여 구동 단계를 더 추가함에 따라 상기 제 1 압출부재(340)로부터 상기 제 1 구동부재(360)로 전달되는 열을 더 저감할 수도 있다.

본 발명에 따른 기어열은 평기어로만 한정되지 않고, 상기 제 1 열저항유닛이 배치되는 위치나 공간에 따라 기어의 종류를 달리할 수 있다.

예를 들어 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 기어열은 베벨기어로 이루어질 수 있으며, 제한된 공간에서도 상기 기어열를 통해 상기 제 1 구동부재(360)로 전달되는 열을 저감시킬 수 있다.

또한, 상기 하우징(371)에는 팬(371a)을 포함하여 상기 하우징(371)의 내부의 공기를 순환시킴으로써 온도를 저감시켜 제 2 기어(360a)에 의해 가열된 공기로 인해 제 1 기어(140a)가 가열되는 것을 방지할 수 있게 된다.

상기 제 2 디스펜서(40)는 FDM 디스펜서로 구성되며, 제 2 성형재료를 공급하는 제 2 공급부, 상기 제 2 공급부로부터 상기 제 2 성형재료를 공급받아 수용하는 제 2 실린더부, 상기 제 2 실린더부 내부에 배치되어 상기 제 2 성형재료를 압출하는 제 2 압출부재, 상기 제 2 실린더부를 가열하는 제 2 히터유닛, 및 상기 제 2 압출부재를 구동시키는 제 2 구동부재를 포함한다.

상기 제 2 성형재료로는 FDM용 폴리머가 일반적으로 사용되며, FDM용 폴리머의 한 종류인 다양한 유전율을 가지는 폴리머가 사용될 수 있고, 이를 이용하여 높은 내구성을 가지는 대상물을 제작할 수 있다.

상기 제 3 디스펜서(50)는 미가열 스크류 타입 디스펜서로 구성되며, 가열이 필요하지 않은 점성을 가지는 제 3 성형재료를 압출하며, 예를 들어 상기 제 3 성형재료는 실버 페이스트일 수 있다.

상기 제 3 디스펜서(50)는 상기 제 3 성형재료를 공급하는 제 3 공급부, 상기 제 3 공급부와 연결되어 상기 제 3 성형재료를 이송하는 제 3 이송관, 상기 제 3 이송관으로부터 상기 제 3 성형재료를 공급받아 수용하는 제 3 실린더, 상기 제 3 실린더 내부에 배치되어 상기 제 3 성형재료를 압출하는 제 3 압출부재 및 상기 제 3 압출부재를 구동시키는 제 3 구동부재를 포함한다.

본 발명에 따른 디스펜서부는 여러 가지 종류의 디스펜서를 포함하고, 이에 따라 상기 제 3 디스펜서(50)에서 압출되는 제 3 성형재료는 가열을 하지 않고도 원하고자 하는 대상물을 형성할 수 있지만, 형성하고자 하는 대상물이 상기 제 3 성형재료와, 열에 의해 가열되어 압출되는 상기 제 1 성형재료 및 상기 제 2 성형재료와 접촉되는 형상을 가질 경우, 상기 제 3 성형재료가 가열된 상태로 압출되는 상기 제 1 성형재료 및 상기 제 2 성형재료와 접촉했을 경우에도 전달되는 열에 의해 용융되거나 뒤틀림현상이 발생되지 않는, 내구성을 가지는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

예를 들어, 상기 제 3 디스펜서(50)에 해당하는 미가열 스크류 디스펜서의 경우 실버 페이스트와 같은 가열이 필요 없는 종류인 상기 제 3 성형재료를 사용하여 전도성 잉크 프린팅에 사용되며, 이는 폴리머 기판 위에 실버 페이스트를 프린팅 하고, 프린팅 한 결과물을 다시 소결하는 방식으로 사용할 수 있다.

상기 제 4 디스펜서(60)는 광경화 폴리머 디스펜서로 구성되며, 빛 또는 레이저에 의해 경화되는 제 4 성형재료를 압출한다.

상기 제 4 디스펜서(60)는 상기 제 4 성형재료를 공급하는 제 4 공급부, 상기 제 4 공급부와 연결되어 상기 제 4 성형재료를 이송하는 제 4 이송관, 상기 제 4 이송관으로부터 상기 제 4 성형재료를 공급받아 수용하는 제 4 실린더, 상기 제 4 실린더 내부에 배치되어 상기 제 4 성형재료를 상기 적층부로 압출하는 제 4 압출부재, 상기 제 4 압출부재를 구동시키는 제 4 구동부재, 및 상기 적층부로 압출된 상기 제 4 성형재료를 경화시키는 조사부를 포함한다.

상기 제 4 성형재료(60)는 광경화 수지 등이 사용될 수 있으며, 상기 제 4 디스펜서(60)는 상기 제 2 디스펜서에 해당하는 FDM 디스펜서로 프린팅 하여 거친 표면을 가지는 압출된 상기 제 2 성형재료의 외측 상에 상기 제 4 성형재료를 프린팅 함으로써 표면 거칠기를 조절함과 동시에 전도성 잉크나 저융점 금속과의 접착력을 향상시킨다.

상술한 제 1 디스펜서(30) 내지 제 4 디스펜서(60)를 사용하여 PCB 기판 또는 MID 소자 공정 과정을 대략적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제 2 디스펜서 또는 상기 제 4 디스펜서를 이용하여 유전층으로 구성되는 폴리머 평면을 프린팅 한다.

폴리머 평면을 완료한 후, 상기 제 1 디스펜서(30) 또는 상기 3 디스펜서(50)를 이용하여 전선 역할을 수행하는 배선층을 프린팅한다. 이후 상기 제 2 디스펜서(40) 또는 상기 제 4 디스펜서(60)를 이용하여 배선층을 제외한 부분, 즉 배선층 이외의 공간을 배선층과 같은 높이로 채우면서 프린팅 한다.

마지막으로 상기 제 2 디스펜서(40) 또는 상기 제 4 디스펜서(60)를 이용하여 폴리머 평면을 프린팅 한다.

또는, 상기 제 2 디스펜서(40) 또는 상기 제 4 디스펜서(60)를 이용하여 유전층으로 구성되는 폴리머 평면을 프린팅한 후에 상기 제 2 디스펜서(40) 또는 상기 제 4 디스펜서(60)를 이용하여 배선층이 프린팅 될 부분에 홈을 만들면서 부분 프린팅을 진행한 다음 상기 제 1 디스펜서(30) 또는 상기 3 디스펜서(50)를 이용하여 전선 역할을 수행하는 배선층을 홈에 프린팅할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 다양한 디스펜서를 활용하여 여러 가지 성형재료를 프린팅 할 수 있고, 위와 같은 과정을 반복하여 프린팅 함으로써 다층구조를 가지는 회로기판을 형성할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

11: 상부지지대 12: 수직지지대
13: 하부지지대 M: 회전서보모터
R: 회전축 21: 적층블럭
22: y축 이송부 23: x축 이송부
23a: x축 상부하우징 23b: x축 하부하우징
23c: x축 레일부 23d: x축 중심축
23e: x축 모터 23f: x축 이탈방지부
23g: x축 이송블럭 23h: x축 적층블럭 결합부
23i: x축 센서 30: 제 1 디스펜서
40: 제 2 디스펜서 50: 제 3 디스펜서
60: 제 4 디스펜서 711: 제 1 디스펜서 고정부
721: 제 2 디스펜서 고정부 731: 제 3 디스펜서 고정부
741: 제 4 디스펜서 고정부 742: 제 4 디스펜서 이송중심축
743: 제 4 디스펜서 이송레일부 744: 제 4 디스펜서 이탈방지부
745: 제 4 디스펜서 결합부 746: 제 4 디스펜서 이송부
310: 제 1 공급부 320: 제 1 이송관
330: 제 1 실린더 331: 제 1 실린더부
332: 제 2 실린더부 333: 제 3 실린더부
334: 제 4 실린더부 330a: 노즐
340: 제 1 압출부재 340a: 제 1 기어
351: 제 1 공급부 히터 352: 제 1 실린더 히터
352a: 제 1 히터 352b: 제 2 히터
352c: 제 3 히터 352d: 제 4 히터
352e: 제 5 히터 352f: 제 6 히터
352g: 제 7 히터 352h: 제 8 히터
352i: 제 9 히터 353: 제 1 이송관 히터
360: 제 1 구동부재 360a: 제 2 기어
371: 하우징 371a: 팬
380: 실링부 24: z축 센서

Claims (11)

1. 상부지지대, 수직지지대 및 하부지지대로 구성되는 케이싱;
   상기 상부지지대와 결합되는 디스펜싱 모듈;
   상기 하부지지대와 결합되는 적층부;를 포함하되,
   상기 디스펜싱 모듈은,
   상기 상부지지대에 장착되어 있는 회전서보모터;
   상기 회전서보모터에 연결된 회전축;
   상기 회전축과 연결되어 회전하는 디스펜싱 모듈 본체;
   상기 디스펜싱 모듈 본체에 적어도 두 개 이상 결합되며, 상기 적층부로 성형재료를 적층하는 디스펜서부; 및
   상기 디스펜서부를 각각 상하로 이동시키는 디스펜서 서보모터;를 포함하고,
   상기 디스펜서부 중 적어도 하나는 고온 가열 스크류 타입 디스펜서로 구성되는 제 1 디스펜서이며,
   상기 제 1 디스펜서는,
   제 1 성형재료를 공급하는 제 1 공급부;
   상기 제 1 공급부와 연결되어 상기 제 1 성형재료를 이송하는 제 1 이송관;
   상기 제 1 이송관으로부터 상기 제 1 성형재료를 공급받아 수용하는 제 1 실린더;
   상기 제 1 실린더 내부에 배치되어 상기 제 1 성형재료를 압출하는 제 1 압출부재;
   상기 제 1 공급부와 상기 제 1 이송관과 상기 제 1 실린더 전체를 가열하는 제 1 히터유닛;
   상기 제 1 압출부재를 구동시키는 제 1 구동부재; 및
   상기 제 1 압출부재로부터 상기 제 1 구동부재로 전달되는 열을 최소화시키는 제 1 열저항유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 디스펜서부는 고온 가열 스크류 타입 디스펜서로 구성되는 상기 제 1 디스펜서, FDM 디스펜서로 구성되는 제 2 디스펜서, 미가열 스크류 타입 디스펜서로 구성되는 제 3 디스펜서 및 광경화 폴리머 디스펜서인 제 4 디스펜서를 포함하는 것을 특징을 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 회전서보모터에 의해 상기 디스펜싱 모듈 본체가 회전하여 상기 제 1 디스펜서 내지 상기 제 4 디스펜서 중 어느 하나가 압출가능위치에 배치되는 경우에 상기 제 1 디스펜서 내지 상기 제 4 디스펜서 중 어느 하나가 성형재료를 압출할 수 있는 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 적층부는 상기 디스펜서부에서 압출되는 성형재료가 적층되는 적층블럭과, 상기 하부지지대 상에 배치되어 상기 적층블럭을 전후좌우로 이송시키는 적층블럭 이송부와, 상기 적층블럭 측면에 배치되어 상기 제 1 디스펜서 내지 상기 제 4 디스펜서에 장착된 노즐 끝단의 위치를 자동으로 측정하는 z축 센서와, 상기 적층블럭을 가열 또는 냉각하는 적층블럭 온도조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 열저항유닛은 선접촉으로 열전달을 최소화하는 기어열인 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 히터유닛은 제 1 공급부 히터, 제 1 이송관 히터, 제 1 실린더 히터를 포함하며, 상기 제 1 실린더 히터는 상기 제 1 실린더에 열구배가 형성될 수 있도록 다단히터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 다단히터는 상기 제 1 실린더의 길이방향으로 각각 길이가 다른 2개 이상의 히터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 실린더는 상기 제 1 실린더의 길이방향으로 각각 열전도율이 다른 2개 이상의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템.
9. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 2 디스펜서는,
   제 2 성형재료를 공급하는 제 2 공급부,
   상기 제 2 공급부로부터 상기 제 2 성형재료를 공급받아 수용하는 제 2 실린더부,
   상기 제 2 실린더부 내부에 배치되어 상기 제 2 성형재료를 압출하는 제 2 압출부재,
   상기 제 2 실린더부를 가열하는 제 2 히터유닛, 및
   상기 제 2 압출부재를 구동시키는 제 2 구동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템.
10. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 디스펜서는 가열이 필요하지 않은 점성을 가지는 제 3 성형재료를 압출하며,
    상기 제 3 디스펜서는,
    상기 제 3 성형재료를 공급하는 제 3 공급부,
    상기 제 3 공급부와 연결되어 상기 제 3 성형재료를 이송하는 제 3 이송관,
    상기 제 3 이송관으로부터 상기 제 3 성형재료를 공급받아 수용하는 제 3 실린더,
    상기 제 3 실린더 내부에 배치되어 상기 제 3 성형재료를 압출하는 제 3 압출부재 및
    상기 제 3 압출부재를 구동시키는 제 3 구동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템.
11. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 4 디스펜서는 빛 또는 레이저에 의해 경화되는 제 4 성형재료를 압출하며,
    상기 제 4 디스펜서는,
    상기 제 4 성형재료를 공급하는 제 4 공급부,
    상기 제 4 공급부와 연결되어 상기 제 4 성형재료를 이송하는 제 4 이송관,
    상기 제 4 이송관으로부터 상기 제 4 성형재료를 공급받아 수용하는 제 4 실린더,
    상기 제 4 실린더 내부에 배치되어 상기 제 4 성형재료를 상기 적층부로 압출하는 제 4 압출부재,
    상기 제 4 압출부재를 구동시키는 제 4 구동부재, 및
    상기 적층부로 압출된 상기 제 4 성형재료를 경화시키는 조사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종소재 3차원 프린팅 시스템.

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