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1. (WO2019004593) 3D PRINTING DEVICE FOR MOLDING COMPOSITE MATERIAL
Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7   8   9  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

10  

과제 해결 수단

11   12   13   14   15  

발명의 효과

16  

도면의 간단한 설명

17   18   19   20  

발명의 실시를 위한 형태

21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34  

청구범위

1   2   3   4   5  

도면

1   2   3   4  

명세서

발명의 명칭 : 복합소재 성형용 3D 프린팅 장치

기술분야

[1]
본 발명은 3D 프린팅 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 소규모 기업이나 자영업자들이 식품 관련의 용도에 보급형으로 활용하기 위한 복합소재 성형용 3D 프린팅 장치에 관한 것이다.

배경기술

[2]
통상적으로 3D 프린팅은 금속, 플라스틱, 석재, 종이 등의 대부분을 소재를 다양한 색상으로 형성하는 기술로서 기존 산업의 패러다임 변화를 주도하면서 적용 분야를 점차적으로 확대하고 있다. 식품 분야의 경우 비교적 근래에 해외에서 파스타, 팬케이크 등에 적용된 바가 있고, 국내에서 초콜릿 전용의 푸드 프린터로 간단한 문구와 심벌을 출력한 바가 있다.
[3]
식품 분야의 3D 프린팅과 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 공개특허공보 제2015-0003372호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1733884호(선행문헌 2) 등을 참조할 수 있다.
[4]
선행문헌 1은 특정한 크기의 초컬릿, 빵, 떡 등의 식품을 다양한 문양의 취식이 편리한 크기로 조합이 가능하도록 절단을 하고, 상기 절단된 조합식품 위에 3D프린터를 이용하여 문자 혹은 3D형상물을 인쇄한다.
[5]
선행문헌 2는 압출기 몸체, 상기 압출기 몸체의 상부에 설치되고 프린팅 소재가 투입되는 수용기, 상기 압출기 몸체의 하단부에 설치되고 프린팅 소재를 토출하는 노즐, 상기 압출기를 X-Y 방향으로 이동시키는 LM 가이드, Z 방향으로 이동되는 베드, 상기 원료액을 냉각하여 고형화시키는 온도 조절장치를 포함한다.
[6]
다만, 상기한 선행문헌에 의하면 식품을 제조하는 소규모 기업이나 자영업자에 있어서 기본적인 식자재의 성형은 가능하지만 이에 수반되는 플라스틱, 석재 등의 부자재를 별도로 조달해야 하는 부담의 해소가 곤란하다.
[7]
[선행기술문헌]
[8]
(특허문헌 1) 한국 공개특허공보 제2015-0003372호 "3D프린터를 이용한 조각인쇄식품" (공개일자 : 2015.09.14.)
[9]
(특허문헌 2) 한국 등록특허공보 제1733884호 "3D 프린터" (공개일자 : 2017.04.24.)

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[10]
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 식품 제조에 있어서 기본적인 식자재의 성형은 물론 수반되는 플라스틱 등의 부자재도 성형할 수 있는 복합소재 성형용 3D 프린팅 장치를 제공하는 데 있다.

과제 해결 수단

[11]
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 베이스 상에 수직대와 수평대를 개재하여 장착되어 3축운동을 유발하는 가동대; 상기 가동대 상에 선택적으로 장착되고, 원료통의 식품 소재를 압출하는 제1압출기; 상기 가동대 상에 선택적으로 장착되고, 원료릴의 수지 소재를 압출하는 제2압출기; 및 상기 제1압출기와 제2압출기 중 적어도 하나를 가동대 상에 지지하는 거치대;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
[12]
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제1압출기는 직접주사 방식의 제1헤드를 기반으로 살균기를 더 구비하고, 상기 제2압출기는 압축적층(FDM) 방식의 제2헤드를 적용하는 것을 특징으로 한다.
[13]
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 수직대는 대기중인 제2압출기의 지지를 위한 지지대를 구비하고, 상기 수평대는 원료릴과 송급기를 지지하는 것을 특징으로 한다.
[14]
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 거치대는 캡톤 테이프(Capton tape) 또는 열전소자 방식으로 형성된 온도조절기, 규격이 다른 부분의 파지가 가능하도록 형성되는 클램프를 구비하는 것을 특징으로 한다.
[15]
본 발명의 변형예로서, 상기 거치대는 제1압출기와 제2압출기를 복수로 탑재하고 수동 또는 전동으로 위치변동 가능한 회전연결대를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

발명의 효과

[16]
이상과 같이 본 발명에 의하면, 식품 제조에 있어서 기본적인 식자재의 성형은 물론 수반되는 플라스틱 등의 부자재도 성형할 수 있으므로 경제적 부담을 경감하는 동시에 작업 편의성을 향상하는 효과가 있다.

도면의 간단한 설명

[17]
도 1은 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 나타내는 구성도
[18]
도 2는 본 발명에 따른 장치를 정면에서 나타내는 구성도
[19]
도 3은 본 발명에 따른 거치대를 분리하여 나타내는 구성도
[20]
도 4는 본 발명에 따른 거치대의 변형예를 나타내는 구성도

발명의 실시를 위한 형태

[21]
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
[22]
본 발명은 복합 소재를 성형하기 위한 3D 프린팅 장치에 관한 것으로서, 특히 식품을 기반으로 하여 플라스틱과 같은 비식품을 부가한다. 각종 교육기관, 베이커리, 커피전문점 등에서 다품종 소량의 식품 제조에 있어서 저가의 보급형 장치를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 보급형 장치는 기본적으로 성형품의 고해상도를 구현하지 않아도 무방함을 의미한다.
[23]
본 발명에 따르면 3축운동을 유발하는 가동대(15)가 베이스(11) 상에 수직대(12)와 수평대(13)를 개재하여 장착되는 구조이다. 베이스(11)는 작업대에 상치하기 위한 프레임으로서 가동대(15)을 3축운동 가능하게 지지한다. 수직대(12)는 베이스(11) 상에서 가동대(15)의 X축운동 및 Z축운동을 수행하고, 수평대(13)는 수직대(12) 상에서 가동대(15)의 Y축운동을 수행한다.
[24]
또한, 본 발명에 따르면 원료통(21)의 식품 소재를 압출하는 제1압출기(20)가 상기 가동대(15) 상에 선택적으로 장착된다. 원료통(21)은 초콜릿, 파스타, 대체재료(Alternative Ingredients) 등의 열가소성을 지닌 식자재를 저장한다. 제1압출기(20)는 착탈 가능한 원료통(21)과 노즐(27)을 구비하고 원료의 용융과 압출을 수행한다. 제1압출기(20)의 압출 동력은 플란저 펌프와 일반 모터로 구현하거나 일반 펌프와 스테핑모터로 구현한다. 제1압출기(20)는 후술하는 제2압출기(30)와 선택적으로 가동대(15)에 장착될 수 있다.
[25]
이때, 다수의 원료통(21)은 베이스(11)의 일측에 설치된 저장대(23) 상에 거치된 상태로 보관된다. 보급형 장치에서 원료통(21)의 로딩은 작업자의 수동으로 수행하지만 적어도 부분적인 로딩 자동화를 배제하는 것은 아니다.
[26]
또한, 본 발명에 따르면 원료릴(31)의 수지 소재를 압출하는 제2압출기(30)가 상기 가동대(15) 상에 선택적으로 장착된다. 원료릴(31)은 식자재와 더불어 성형품에 수반되는 부자재인 열가소성 수지를 필라멘트 형태로 권취한다. 제2압출기(30)는 노즐(37)을 구비하고 원료의 용융과 압출을 수행한다. 통상 제1압출기(20)는 제2압출기(30)보다 높은 동력을 요하므로 일반 펌프와 스테핑모터로 압출을 수행하는 것이 좋다. 제2압출기(30)는 전술한 제1압출기(20)와 선택적으로 가동대(15)에 장착될 수 있다.
[27]
이때, 제1압출기(20)와 제2압출기(30)는 캡톤 테이프(Capton tape) 방식으로 형성된 히트패드를 구비하는 것이 바람직하다.
[28]
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제1압출기(20)는 직접주사 방식의 제1헤드(25)를 기반으로 살균기를 더 구비하고, 상기 제2압출기(30)는 압축적층(FDM) 방식의 제2헤드(35)를 적용하는 것을 특징으로 한다. 제1헤드(25)는 원료통(21)에 저장된 원료를 용융하여 직접적으로 주사하는 방식을 택한다. 노즐(27)에 인접한 영역에 UV램프와 같은 살균기를 설치하여 세균의 침투를 방지하는 것이 좋다. 제2헤드(35)는 각종 열가소성 수지를 3D 프린팅 기술 중 가장 일반적인 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식으로 적층하여 부자재를 생성한다. FDM은 다수의 압출기로 이종의 소재를 복합적으로 적용하는 경우에도 유리한 방식이다.
[29]
한편, 베이스(11)는 대략 중앙에 성형품을 지지하기 위한 회전대(17)를 두는 것이 좋다. 회전대(17)는 성형품을 제작하는 과정에서 다양한 패턴 변화를 부가하는 용도로 적합하다.
[30]
또한, 본 발명에 따르면 거치대(40)가 상기 제1압출기(20)와 제2압출기(30) 중 적어도 하나를 가동대(15) 상에 지지한다. 도 1 및 도 2에서 거치대(40)는 제1압출기(20) 및 제2압출기(30) 중에서 선택된 것을 장착한 상태를 예시한다. 이에 성형품을 제작하는 동안 제1압출기(20)와 제2압출기(30)를 선택적으로 가동대(15)에 장착하고 제반 작업을 신속하게 진행할 수 있다.
[31]
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 수직대(12)는 대기중인 제2압출기(30)의 지지를 위한 지지대(33)를 구비하고, 상기 수평대(13)는 원료릴(31)과 송급기(32)를 지지하는 것을 특징으로 한다. 제1압출기(20)는 대기하는 동안 수직대(12)와 이격된 저장대(23)에 거치되지만, 제2압출기(30)는 대기하는 동안 수직대(12) 상의 지지대(33)에 거치된다. 원료릴(31)과 송급기(32)가 수평대(13)에 지지되면 제2압출기(30)가 사용중이거나 대기중에도 필라멘트에 작용하는 하중의 변동(변형)을 완화하여 간섭이나 손상을 방지할 수 있다.
[32]
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 거치대(40)는 캡톤 테이프(Capton tape) 또는 열전소자 방식으로 형성된 온도조절기(42), 규격이 다른 부분의 파지가 가능하도록 형성되는 클램프(44)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 온도조절기(42)의 거치대(40)의 저면에서 안착공(45)의 주변에 설치되어 노즐(27)(37)에 대한 온도를 조절한다. 캡톤 테이프(Capton tape)와 열전소자는 동시에 적용할 수도 있다. 방식열전소자는 가열 외에 냉각을 수행하기도 용이하다. 클램프(44)는 이동 가능한 양측의 조(jaw)를 구비한 구조로서 제1압출기(20) 및 제2압출기(30)의 규격이 변동되어도 파지가 가능하다.
[33]
본 발명의 변형예로서, 상기 거치대(40)는 제1압출기(20)와 제2압출기(30)를 복수로 탑재하고 수동 또는 전동으로 위치변동 가능한 회전연결대(46)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 4에서 회전연결대(46)의 4면에 거치대(40)를 탑재한 상태를 예시한다. 회전연결대(46)의 중앙에 디스크(47)를 회전 가능하게 수용하면 거치대(40)의 회동이 용이하다. 볼플란저(48)는 거치대(40)가 회동되는 간격을 안내하며, 이외에 회동을 구속하기 위한 로크(도시 생략)를 구비할 수 있다.
[34]
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

청구범위

[청구항 1]
복합 소재를 성형하기 위한 3D 프린팅 장치에 있어서: 베이스(11) 상에 수직대(12)와 수평대(13)를 개재하여 장착되어 3축운동을 유발하는 가동대(15); 상기 가동대(15) 상에 선택적으로 장착되고, 원료통(21)의 식품 소재를 압출하는 제1압출기(20); 상기 가동대(15) 상에 선택적으로 장착되고, 원료릴(31)의 수지 소재를 압출하는 제2압출기(30); 및 상기 제1압출기(20)와 제2압출기(30) 중 적어도 하나를 가동대(15) 상에 지지하는 거치대(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 성형용 3D 프린팅 장치.
[청구항 2]
청구항 1에 있어서, 상기 제1압출기(20)는 직접주사 방식의 제1헤드(25)를 기반으로 살균기를 더 구비하고, 상기 제2압출기(30)는 압축적층(FDM) 방식의 제2헤드(35)를 적용하는 것을 특징으로 하는 복합소재 성형용 3D 프린팅 장치.
[청구항 3]
청구항 1에 있어서, 상기 수직대(12)는 대기중인 제2압출기(30)의 지지를 위한 지지대(33)를 구비하고, 상기 수평대(13)는 원료릴(31)과 송급기(32)를 지지하는 것을 특징으로 하는 복합소재 성형용 3D 프린팅 장치.
[청구항 4]
청구항 1에 있어서, 상기 거치대(40)는 캡톤 테이프(Capton tape) 또는 열전소자 방식으로 형성된 온도조절기(42), 규격이 다른 부분의 파지가 가능하도록 형성되는 클램프(44)를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합소재 성형용 3D 프린팅 장치.
[청구항 5]
청구항 1에 있어서, 상기 거치대(40)는 제1압출기(20)와 제2압출기(30)를 복수로 탑재하고 수동 또는 전동으로 위치변동 가능한 회전연결대(46)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합소재 성형용 3D 프린팅 장치.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]