JP2019512612A5

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Publication number: JP2019512612A5
Application number: JP2018551758A
Authority: JP
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2020-01-30

Description

３Ｄプリンティング方法

本出願は、２０１６年４月１日付で提出された韓国特許出願第１０−２０１６−００４０３６０号および２０１７年３月３０日付で提出された韓国特許出願第１０−２０１７−００４０９７３号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。

本出願は、３Ｄプリンティング方法に関する。

３Ｄ（ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）プリンティングは、通常、一連の素材の層を重なって積層する過程を通じて３Ｄ物体を形成する多様な製造過程である。

３Ｄプリンティング方式としては、一般的に、感光性樹脂を加工する紫外線（ＵＶ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）レーザーを採用するステレオリソグラフィ方式、感光性樹脂を加工する紫外線ランプを利用するインクジェットプリンタ方式、プラスチック押出成形方式および液状バインダー堆積方式などが知られている。

３Ｄプリンティングは、製品開発、データの可視化、専門分野の製作および製造などの分野に応用され得る。適用され得る分野は、建築、構造（ＡＥＣ）、工業デザイン、自動車、航空宇宙産業、エンジニアリング、歯科および医療産業、生物工学（ヒト組織補充）、ファッション、シューズ、宝石類、メガネ類、教育、地理情報システム、食品または様々な他分野を含んで多方面にわたっている。

本出願は、３Ｄプリンティング方法に関する。本出願では、目的とする立体形態を精密で且つ多様な性質を有するように形成し得る３Ｄプリンティング方式を提供することを目的とする。

本出願の３Ｄプリンティング方法は、特定の伝導性金属を含む金属粉末または前記伝導性金属や金属粉末を含むスラリーを使用して成形した立体形状に電磁場を印加する段階を含む。前記で立体形状の形成とその立体形状への電磁場の印加は、同時に行われるか、または、時間差をもって行われ得る。例えば、前記金属粉末またはスラリーを使用した立体形状の成形が電磁場内で進められるか、あるいは、前記金属粉末またはスラリーを少なくとも電磁場に経由させた後、前記立体形状を形成するか、あるいは、一旦、立体形状を形成した後、前記電磁場を前記立体形状に印加することができる。前記伝導性金属は、電磁場内で誘導加熱により発熱することができる。したがって、前記金属粉末の粒径ないしは形態、電磁場の強さ、立体形状の形成方式などを制御する場合、前記金属粉末は、立体形状の維持に適合した状態で溶融することができ、そのように溶融し、立体形状を維持した状態で焼結され得る。また、立体形状を具現化する素材として、金属粉末またはそれを含むスラリーが適用されることによって、より精密で且つ微細な形態まで目的通りに具現化することができ、当該立体形状の形成を迅速に進めることができる。前記で金属粉末またはスラリーを使用して立体形態を成形する方式は、特に限定されず、例えば、噴射または吐出方式などが適用され得る。

本出願で使用される金属粉末は、粉末形態であり、且つ、金属を主成分として含むことができる。前記で金属を主成分とするというのは、全体重量を基準として金属の比率が５５重量％以上、６０重量％以上、６５重量％以上、７０重量％以上、７５重量％以上、８０重量％以上、８５重量％以上、９０重量％以上または９５重量％以上である場合を意味する。前記主成分として含まれる金属の比率の上限は、特に限定されず、例えば、１００重量％、９９重量％または９８重量％程度であり得る。

前記金属粉末は、所定の比透磁率と伝導度を有する金属を少なくとも含むことができる。このような金属の適用を通じて電磁場内で金属粉末またはスラリーは、適正な水準に溶融および焼結され得る。

例えば、前記金属としては、比透磁率が９０以上の金属が使用され得る。比透磁率μ_ｒは、当該物質の透磁率μと真空中の透磁率μ_０の比μ／μ_０である。前記金属は、比透磁率が９５以上、１００以上、１１０以上、１２０以上、１３０以上、１４０以上、１５０以上、１６０以上、１７０以上、１８０以上、１９０以上、２００以上、２１０以上、２２０以上、２３０以上、２４０以上、２５０以上、２６０以上、２７０以上、２８０以上、２９０以上、３００以上、３１０以上、３２０以上、３３０以上、３４０以上、３５０以上、３６０以上、３７０以上、３８０以上、３９０以上、４００以上、４１０以上、４２０以上、４３０以上、４４０以上、４５０以上、４６０以上、４７０以上、４８０以上、４９０以上、５００以上、５１０以上、５２０以上、５３０以上、５４０以上、５５０以上、５６０以上、５７０以上、５８０以上または５９０以上であり得る。比透磁率が高いほど、後述する誘導加熱のための電磁場の印加時に、より高い熱を発生することになるため、その上限は、特に限定されない。一例示で、前記比透磁率の上限は、例えば、約３００，０００以下であり得る。

前記金属は、伝導性金属であり得る。用語「伝導性金属」は、２０℃における伝導度が約８ＭＳ／ｍ以上、９ＭＳ／ｍ以上、１０ＭＳ／ｍ以上、１１ＭＳ／ｍ以上、１２ＭＳ／ｍ以上、１３ＭＳ／ｍ以上または１４．５ＭＳ／ｍ以上である金属またはそのような合金を意味する。前記伝導度の上限は、特に限定されないが、例えば、電磁場内においての発熱程度を調節するために、前記伝導度を、約３０ＭＳ／ｍ以下、２５ＭＳ／ｍ以下または２０ＭＳ／ｍ以下にすることができる。

本出願で前記のような比透磁率と伝導度を有する金属は、単に伝導性磁性金属とも呼ばれ得る。

前記伝導性磁性金属を適用することによって、電磁場下における溶融と焼結を効果的に進めることができる。このような金属としては、ニッケル、鉄またはコバルトなどが例示され得るが、これに限定されない。

伝導性磁性金属の形態も、多様に制御され得、立体形状の具現化に適合するように選択され得る。例えば、前記伝導性磁性金属は、粒子であってもよく、当該粒子は、球形、フレーク型、楕円体型、ニードル型またはデンドライト型などの形態を有することができる。このような形態で電磁場内で効果的に溶融および焼結されながら、目的とする立体形状を良好に形成することができる。

金属粉末は、必要な場合に、前記伝導性磁性金属と共に、前記金属とは異なる第２金属を含むことができる。このような場合には、立体形状が金属合金で形成され得る。前記第２金属としては、前記言及した伝導性磁性金属と同じ範囲の比透磁率および／または伝導度を有する金属が使用されてもよく、そのような範囲以外の比透磁率および／または伝導度を有する金属が使用されてもよい。また、第２金属は、１種が含まれることもでき、２種以上が含まれることもできる。このような第２金属の種類は、適用される伝導性磁性金属と異なる種類である限り、特に限定されず、例えば、銅、リン、モリブデン、亜鉛、マンガン、クロム、インジウム、スズ、銀、白金、金、アルミニウムまたはマグネシウムなどのうち伝導性磁性金属と異なる１種以上の金属が適用され得るが、これに限定されない。

金属粉末は、前記伝導性磁性金属と第２金属のような金属成分の他にも、必要に応じて、金属以外の成分も含むことができる。このような成分としては、多様なセラミック材料またはＳｉ系高分子などが例示され得るが、これに限定されない。

金属粉末において前記伝導性磁性金属の比率は、特に限定されない。例えば、前記比率は、電磁場内で適切なジュール熱を発生させることができるように調節され得る。例えば、前記金属粉末は、前記伝導性磁性金属を全体金属粉末の重量を基準として３０重量％以上含むことができる。他の例示で、前記金属粉末内の前記伝導性磁性金属の比率は、約３５重量％以上、約４０重量％以上、約４５重量％以上、約５０重量％以上、約５５重量％以上、６０重量％以上、６５重量％以上、７０重量％以上、７５重量％以上、８０重量％以上、８５重量％以上または９０重量％以上であり得る。前記伝導性磁性金属比率の上限は、特に限定されない。例えば、前記金属粉末内において前記伝導性磁性金属の比率は、約１００重量％未満または９５重量％以下であり得る。しかし、前記比率は、例示的な比率である。例えば、電磁場の印加による誘導加熱により発生する熱は、加えられる電磁場の強さ、金属の電気伝導度と抵抗などによって調節が可能であるため、前記比率は、具体的な条件によって変更され得る。

前記金属粉末もやはり、溶融および焼結効率と立体形状の形成効率を考慮して形態が選択され得、例えば、前記伝導性磁性金属粒子の項目で記述した形態を有することができる。

金属粉末は、適正範囲の粒径を有することができる。例えば、金属粉末は、粒度分布（ＰａｒｔｉｃｌｅＳｉｚｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）５０％粒径（Ｄ５０）が約１００ｎｍ〜約１００μｍの範囲内にあり得る。前記５０％粒径（Ｄ５０）は、他の例示で、約２００ｎｍ以上、約４００ｎｍ以上、約６００ｎｍ以上、約８００ｎｍ以上、約１、０００ｎｍ以上、約１，５００ｎｍ以上、約２，０００ｎｍ以上、約２，５００ｎｍ以上、約３，０００ｎｍ以上、約３，５００ｎｍ以上、約４，０００ｎｍ以上、約４，５００ｎｍ以上、約５，０００ｎｍ以上または約５，５００ｎｍ以上である。前記平均粒径は、他の例示で、約９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１５μｍ以下または１０μｍ以下であり得る。金属粉末の５０％粒径（Ｄ５０）を前記範囲に維持することによって、電磁場内で金属粉末が適正範囲に溶融ないしは焼結され得、３次元形態も効果的に形成することができる。

立体形状は、前記金属粉末を使用して形成することもでき、必要に応じて、金属粉末をスラリー形態で製造し、このスラリーを使用して形成することもできる。このような、金属粉末やスラリーを、例えば、インクジェットプリンタやその他噴射手段を使用して噴射して立体形状を形成することができる。

スラリー形態で製造するために、前記金属粉末をバインダーと混合することができる。したがって、前記スラリーは、前記金属粉末と共にバインダーを含むことができる。

本出願で適用され得るバインダーの種類は、特に限定されない。バインダーとしては、例えば、アルキルセルロース、ポリアルキレンカーボネート、ポリアルキレンオキシド、リグニンまたはポリビニルアルコール系バインダーを使用することができる。前記でアルキルセルロースとしては、例えば、メチルセルロースまたはエチルセルロースなどの炭素数１〜２０、炭素数１〜１６、炭素数１〜１２、炭素数１〜８または炭素数１〜４のアルキル基を有するアルキルセルロースなどが例示され得、ポリアルキレンオキシドとしては、ポリエチレンオキシドまたはポリプロピレンオキシドなどの炭素数１〜２０、炭素数１〜１６、炭素数１〜１２、炭素数１〜８または炭素数１〜４のアルキレン基を有するポリアルキレンオキシドが例示され得、ポリアルキレンカーボネートとしては、ポリエチレンカーボネートなどの炭素数１〜２０、炭素数１〜１６、炭素数１〜１２、炭素数１〜８または炭素数１〜４のアルキレン基を有するポリアルキレンカーボネートなどが例示され得、ポリビニルアルコール系バインダーとしては、ポリビニルアルコールまたはポリビニルアセテートなどが例示され得るが、これに限定されない。

スラリーは、例えば、前記金属粉末１００重量部に対して約５〜２００重量部の割合で前記バインダーを含むことができる。前記バインダーの比率は、他の例示で、約１９０重量部以下、１８０重量部以下、１７０重量部以下、１６０重量部以下、１５０重量部以下、１４０重量部以下、１３０重量部以下、１２０重量部以下、１１０重量部以下、１００重量部以下、９０重量部以下、８０重量部以下、７０重量部以下、６０重量部以下、５０重量部以下、４０重量部以下または３０重量部以下であり得る。このような範囲でスラリーの粘度などの物性と金属粉末の分散度を３Ｄプリンティングに適合するように制御することができる。

スラリーは、前記言及した成分の他にも、必要な公知の添加剤をさらに含むことができる。このような添加剤の例としては、溶媒または分散剤などが例示され得るが、これに限定されない。

本出願では、前記のようなスラリーまたは金属粉末を使用して電磁場内で立体形状を形成するか、あるいは、電磁場に前記金属粉末またはスラリーを経由させた後、立体形状を形成することができる。前述したように、電磁場下において前記伝導性磁性金属が発熱し、これにより、立体形状が焼結により形成され得る。前記方式は、電磁場により誘導加熱だけによって進められるか、あるいは、適切な熱を印加しつつ進められることもできる。

伝導性磁性金属が電磁場内で維持されると、前記金属に渦電流（ｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｓ）が発生し、金属の抵抗によりジュール熱（Ｊｏｕｌｅｈｅａｔｉｎｇ）が発生する。本出願では、このような現象を応用して３Ｄプリンティングを進めることができる。例えば、前記言及した金属粉末やスラリーを使用して電磁場内で立体形状を具現化し、溶融および焼結させるか、または、電磁場内を経由して適正に溶融した金属粉末やスラリーを使用して立体形状を形成することができる。本出願では、このような方式を適用し、精密な立体形状を短時間内に形成することができる。

例えば、インクジェットノズルなどの適切な噴射ノズルを使用してコイルなどにより電磁場が形成された領域に前記金属粉末などを噴射するか、または、前記噴射ノズルにコイルなどを巻き取って電磁場下において前記金属粉末を噴射する方式などが適用され得る。

前記電磁場は、例えば、１００Ａ〜１，０００Ａ程度の電流を印加して形成することができる。前記加えられる電流の大きさは、他の例示で、９００Ａ以下、８００Ａ以下、７００Ａ以下、６００Ａ以下、５００Ａ以下または４００Ａ以下であり得る。前記電流の大きさは、他の例示で、約１５０Ａ以上、約２００Ａ以上または約２５０Ａ以上であり得る。

また、前記電磁場は、例えば、約１００ｋＨｚ〜１，０００ｋＨｚの周波数で形成することができる。前記周波数は、他の例示で、９００ｋＨｚ以下、８００ｋＨｚ以下、７００ｋＨｚ以下、６００ｋＨｚ以下、５００ｋＨｚ以下または４５０ｋＨｚ以下であり得る。前記周波数は、他の例示で、約１５０ｋＨｚ以上、約２００ｋＨｚ以上または約２５０ｋＨｚ以上であり得る。

前記のような方式で形成された電磁場下における前記金属粉末またはスラリーの維持時間は、特に限定されず、溶融ないしは焼結効率や立体形状の維持能を考慮して選択することができる。例えば、前記維持時間は、約１分〜１０時間の範囲内に調節することができる。前記維持時間は、他の例示で、約９時間以下、約８時間以下、約７時間以下、約６時間以下、約５時間以下、約４時間以下、約３時間以下、約２時間以下、約１時間以下または約３０分以下であり得る。

前記言及した誘導加熱条件、すなわち電磁場の形成条件やその内の維持時間は、金属粉末の粒径または形態などやそれを含むスラリーの組成などを考慮して変更され得る。

前記３Ｄプリンティングにおける金属粉末などの溶融ないしは焼結は、前記言及した誘導加熱だけによって行うか、必要な場合に、前記誘導加熱、すなわち電磁場の印加と共に適切な熱を印加しつつ行うこともできる。

本出願では、効率的に３Ｄプリンティングを進めることができる方式であって、例えば、微細な部分まで精密に具現化された立体形態をより迅速で且つ効率的に製造し得る３Ｄプリンティング方法を提供することができる。

図１は、実施例１で得られた立体形状を示す写真である。

以下、実施例および比較例により本出願を具体的に説明するが、本出願の範囲が下記実施例に限定される訳ではない。

実施例１
ニッケル粉末（球形、ＰａｒｔｉｃｌｅＳｉｚｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ５０％粒径（Ｄ５０）：約７〜８μｍ）２ｇとエチルセルロース０．２ｇをメチレンクロリド５ｇに分散させてスラリーを製造した。前記でニッケル粉末は、２０℃における伝導度が約１４．５ＭＳ／ｍであり、比透磁率が約６００程度である。引き続いて、ディスペンサー（ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ）を使用して前記スラリーを吐出して立体形状（線形状）を形成し、その立体形状に電磁場を印加して立体形状を焼成した。前記電磁場は、２００Ａの電流を約３５０ｋＨｚの周波数で印加して形成し、立体形状を電磁場内に約３０秒間維持した。

実施例２
スラリーの製造時にエチルセルロースの量を２．５ｇに変更したことを除いて、実施例１と同一に立体形状を形成し、電磁場を印加した。

実施例３
球形のニッケル粉末の代わりに、ニードル型であり、長軸の長さが約１０μｍ程度であるニッケル粉末を使用したことを除いて、実施例１と同一に立体形状を形成し、電磁場を印加した。

実施例４
球形のニッケル粉末の代わりに、デンドライト型であり、長軸の長さが約８μｍ程度であるニッケル粉末を使用し、エチルセルロースの量を１ｇに変更したことを除いて、実施例１と同一に立体形状を形成し、電磁場を印加した。

実施例５
ニッケル粉末の代わりに、球形の鉄（Ｆｅ）粉末（球形、ＰａｒｔｉｃｌｅＳｉｚｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ５０％粒径（Ｄ５０）：約６〜８μｍ）を使用したことを除いて、実施例１と同一に立体形状を形成し、電磁場を印加した。前記で鉄粉末は、２０℃における伝導度が約１３ＭＳ／ｍであり、比透磁率が約１００，０００程度である。

実施例６
鉄（Ｆｅ）粉末（球形、ＰａｒｔｉｃｌｅＳｉｚｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ５０％粒径（Ｄ５０）：約６〜８μｍ）２ｇとメチルセルロース０．５ｇを水５ｇに分散させてスラリーを製造し、実施例１と同一に立体形状を形成した。その後、前記立体形状に段階的に電磁場を印加して焼成した。前記立体形状には、１００Ａの電流を２００ｋＨｚの周波数で印加して形成した電磁場を１０秒間、３００Ａの電流を３５０ｋＨｚの周波数で印加して形成した電磁場を３０秒間、５００Ａの電流を３８０ｋＨｚの周波数で印加して形成した電磁場を１０秒間順次印加した。

実施例７
メチルセルロースの代わりに、ポリビニルアルコールを使用したことを除いて、実施例６と同一に立体形状を形成し、電磁場を印加した。

実施例８
ニッケル粉末の代わりに、コバルト（Ｃｏ）粉末（ＰａｒｔｉｃｌｅＳｉｚｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ５０％粒径（Ｄ５０）：約１０〜１４μｍ）を使用したことを除いて、実施例６と同一に立体形状を形成し、電磁場を印加した。前記でコバルト粉末は、２０℃における比透磁率が約２８０程度である。

実施例９
メチルセルロースの代わりに、ポリプロピレンカーボネートを使用したことを除いて、実施例６と同一に立体形状を形成し、電磁場を印加した。

比較例１
ニッケルワイヤー（直径：約０．１５ｍｍ）をソレノイドコイル（３００Ａ、３７０ｋＨｚ）に通過させながら、基板の上に繰り返して吐出し、実施例１と同一に立体形状（線形状）を形成した。しかし、ソレノイドコイルを通過したニッケルワイヤーが複層で積層されると、層間の密着性が十分に確保されずに、付着しない部分も確認され、層間の区分が確実に認識された。

実験例：解像度
実施例と比較例の方式をそれぞれ適用し、線形状の厚さ１００μｍ程度の立体形状をそれぞれ１０μｍ、５０μｍ、１００μｍおよび５００μｍの幅で形成することが可能であるかを確認した（解像度評価）。また、前記形成された各立体形状をスパチュラで横でひいて立体形状の維持力を確認した。前記段階で立体形状が維持されると、ｐａｓｓｅｄで下記表１に表記し、維持されなければ、ｆａｉｌｅｄで下記表１に表記した。

前記結果より、本出願の方式による場合、非常に精密な立体形状を信頼性をもって形成し得ることを確認することができ、バインダーの比率などの制御を通じて前記効果をさらに改善し得ることを確認することができる。

Claims

比透磁率が９０以上の伝導性金属を含む金属粉末及びバインダーを含むスラリーを使用して成形された立体形状に電磁場を印加する段階を含み、
前記電磁場の印加は、印加された電磁場により前記伝導性金属が発熱して前記金属粉末が溶融するように行う、３Ｄプリンティング方法。
前記スラリーを使用して成形された立体形状に電磁場を印加する段階は、前記スラリーを前記電磁場内で立体形状に成形する段階；前記スラリーを前記電磁場を経由させた後、立体形状を有するように成形する段階；及び前記スラリーを立体形状に成形した後、前記電磁場を印加する段階から選択された一つの段階を含む、請求項１に記載の３Ｄプリンティング方法。
前記伝導性金属は、２０℃における伝導度が８ＭＳ／ｍ以上である、請求項１に記載の３Ｄプリンティング方法。
前記伝導性金属は、ニッケル、鉄またはコバルトである、請求項１に記載の３Ｄプリンティング方法。
前記金属粉末は、前記伝導性金属を重量を基準として３０重量％以上含む、請求項１に記載の３Ｄプリンティング方法。
前記金属粉末は、粒度分布５０％粒径が１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内にある、請求項１に記載の３Ｄプリンティング方法。
前記金属粉末は、球形、フレーク型、楕円体型、ニードル型またはデンドライト型である、請求項１に記載の３Ｄプリンティング方法。
前記バインダーは、アルキルセルロース、ポリアルキレンオキシド、ポリアルキレンカーボネート、ポリビニルアルコールまたはリグニンである、請求項１に記載の３Ｄプリンティング方法。
前記スラリーは、前記金属粉末１００重量部に対して５〜２００重量部の前記バインダーを含む、請求項１に記載の３Ｄプリンティング方法。
前記電磁場は、１００Ａ〜１，０００Ａ範囲内の電流を印加して形成する、請求項１に記載の３Ｄプリンティング方法。
前記電磁場は、１００ｋＨｚ〜１，０００ｋＨｚ範囲内の周波数で電流を印加して形成する、請求項１に記載の３Ｄプリンティング方法。