KR100464869B1 - 충전재를함유하는방사선-경화성액체배합물을사용한3차원제품의입체리토그래피제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배합물의 표면층인 방사선-경화성 액체 배합물의 하나의 층이 이층의 레벨에서 제조될 3차원 제품의 소망하는 단면에 상응하는 영역내에서 적합한 방사선을 사용하여 경화되는 (a) 단계, 및 방사선-경화성 액체 배합물의 신규 층이 상기 경화된 층상에 형성되는 단계 (b)의 2개 단계를 교대로 연속하여 충전재와 함께 방사선-경화성 액체 배합물을 함유하는 용기에서 통상 제조되는 3차원 제품의 입체 리토그래피 제조 방법에 있어서, 제품의 제조과정 중에 경화된 층이 단계 (b)에서 코팅되는 층의 영역에서 방사선-경화성 액체 배합물의 충전재 함량에 있어 인식할 만한 변화가 없는 정도로 방사선-경화성 액체 배합물을 연속적으로 또는 불연속적으로 균일화하는 것을 특징으로 하는 3차원 제품의 입체 리토그래피 제조방법에 관한 것이다. 본 방법은 숙련자가 특히 기술적인 문제 또는 제품의 제조과정중에 충전재의 침전에 기인하는 입체 리토그래피 방법으로 제조된 제품의 품질에 있어 비제어 오차를 걱정하지 않고, 단지 소망하는 목적에 따라 충전재를 선택할 수 있도록 한다.

Description

충전재를 함유하는 방사선-경화성 액체 배합물을 사용한 3차원 제품의 입체 리토그래피 제조 방법{PROCESS FOR THE STEREOLITHOGRAPHIC PREPARATION OF THREE-DIMENSIONAL OJBECTS USING A RADIATION-CURABLE LIQUID FORMULATION WHICH CONTAINS FILLERS}
본 발명은 3차원 제품의 입체 리토그래피 제조 방법에 관한 것이다.
입체 리토그래피를 사용하여 복잡하게 형성된 3차원 제품의 제조는 오랜동안 공지되었다. 원하는 제품은, 배합물의 표면층인 방사선-경화성 액체 배합물의 하나의 층이 이 층의 레벨에서 제조될 제품의 소망하는 단면에 상응하는 영역내에서 통상 바람직하게는 컴퓨터-제어 레이저원을 사용하는 적합한 방사선에 의해 경화되는 단계 (a), 및 방사선-경화성 액체 배합물의 신규 층이 상기 경화된 층상에 형성되는 단계 (b)의 2개 단계를 교대로 연속하여 방사선-경화성 액체 배합물(이하, "입체 리토그래피 수지"라고 함)을 함유하는 용기에서 통상 제조된다.
몇몇의 경우, 충전재를 함유하는 방사선-경화성 액체 배합물을 사용하는 것이 유리하다.
특히 미국 특허(US-A-) 4 942 066호에 개시된 바와 같이, 예컨대 상술한 입체 리토그래피의 제조에서 방사선-경화성 액체 배합물을 경화시키기 위해 통상 사용되는 레이저 빔이 입체 리토그래피 수지로 투과하는 깊이를 유리하게 제어하기 위해 특정한 충전재를 사용할 수 있다.
또한, 예컨대 Al2O3 또는 흑연과 같은 충전재가 입체 리토그래피 배합물을 경화하는 도중에 부피 손실을 감소시키고 또 입체 리토그래피 방법으로 상당히 정확하게 생성된 제품을 얻는다는 것이 공지되어 있다(T. 나까이 및 Y, 마루타니; 레자겐뀨, 1988년 1월, 14-22쪽).
더욱이, JP-A-247515/1985호는 안료, 세라믹 분말 및 금속 분말과 같은 미립자 재료를 입체 리토그래피 방법으로 제조된 제품에서 장식 효과, 저마모성 또는 도전성을 갖게 하기위해 입체 리토그래피 수지에 부가하는 것을 기재하고 있다.
EP-A-0 250 121호는 경화시킬 필요가 있는 수지 재료의 양을 감소시키기 위해 경화를 위해 사용된 방사선에 대해 투명한 충전재 입자를 입체 리토그래피 수지에 부가함으로써 경화를 위해 필요한 방사선량의 감소, 즉 입체 리토그래피 수지의 방사선 증감성의 향상을 가져오는 것을 기재하고 있다.
그러나, 상술한 바와 같이 충전재-함유 입체 리토그래피 수지를 사용하는 것은 충전재 및 잔류 액체 입체 리토그래피 수지의 밀도에 따라, 얼마 후 충전재가 표면에 부유하거나 또는 이들이 입체 리토그래피 수지 조에서 침전하기 때문에 종종 문제를 초래한다. 이 때문에, 조에서 입체 리토그래피 수지의 충전재 함량은, 특히 충전재 및 잔류 수지 사이 및 특히 입체 리토그래피에 대해 중요한 입체 리토그래피 수지 조의 표면에 근접한 영역에서 실질적인 밀도차가 있는 곳에서 매우 급속히 변화한다. 충전재 및 잔류 수지가 상이한 밀도를 가지면, 많은 경우 입체 리토그래피 수지의 특성 때문에 상당히 일정한 재료 특성, 예컨대 방사선 증감성을 갖는 제품을 얻을 수 없지만, 충전재에 따라 다르게 경화된 재료의 특성 예컨대 도전성 또는 기계적 특성은 비-제어 방식으로 변화시킬 수 있다.
본 발명은 상기 문제에 대해 통상적으로 사용가능하고 또 기술적으로 안정한 해결책을 제공하는데, 이것은 상대적으로 큰 입경을 갖고 따라서 급속히 침전하거나, 또는 통상 1 내지 1.3g/cm3로 잔류 입체 리토그래피 수지의 통상적인 밀도보다 실질적으로 큰 밀도를 갖는 충전재를 포함하는 몇몇 충전재를 함유할 수 있는 몇몇 조성물의 입체 리토그래피 수지에 대해 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 숙련자가 기술적인 문제 또는 입체 리토그래피 방법으로 제조된 제품의 품질에 있어 비제어 오차를 걱정하는 것 없이, 단지 소망하는 목적에 따라 충전재를 선택할 수 있도록 한다.
상기 목적을 위해, 본 발명은 배합물의 표면층인 방사선-경화성 액체 배합물의 하나의 층이 이 층의 레벨에서 제조될 3차원 제품의 소망하는 단면에 상응하는 표면 영역내에서 적합한 방사선에 의해 경화되는 단계 (a), 및 방사선-경화성 액체 배합물의 신규 층이 상기 경화된 층상에 형성되는 단계 (b)의 2개 단계를 교대로 연속하여 충전재와 함께 방사선-경화성 액체 배합물을 함유하는 용기에서 통상 제조되는 3차원 제품의 입체 리토그래피 제조 방법에 있어서, 단계 (a)에서 얻은 경화 층상에 있는 단계 (b)에서 형성된 층의 영역에서 방사선-경화성 액체 배합물의 충전재 함량에 있어 거의 변화가 없는, 바람직하게는 전혀 변화가 없을 정도로 제품의 제조과정 중에 방사선-경화성 액체 배합물을 연속적으로 또는 불연속적으로 균일화하는 것을 특징으로 하는 3차원 제품의 입체 리토그래피 제조 방법을 제공한다.
상기 방법에서, 충전재를 함유하는 방사선-경화성 액체 배합물의 균일화는 임의의 방식으로 실시될 수 있으며, 단 이로 인해 제품 제조시 층 경화 공정이 장애받지 않도록 주의 해야 한다. 본 발명에 따라 제안된 방법은 장치에 대해 약간 변화시킨 후, 현재 시판되고 있는 것을 포함하는 거의 모든 입체 리토그래피 장치에서 사용될 수 있다.
예컨대 제품의 제조과정 중에 상술한 연속 단계 (a) 및 (b)를 한 번 또는 여러번 중단하고 이 과정 중에 3차원 물체가 제조되는 용기에서 방사선-경화성 액체 배합물을 균일화할 수 있다.
본 방법의 바람직한 구체예는 방사선-경화성 액체 배합물을 함유하는 용기에서 수직 이동식으로 설치된 기재 판으로서 담체 상에서 3차원 제품을 제조하고, 제품의 각 층을 더 경화시킨 후 방사선-경화성 액체 배합물의 신규 층이 방사선-경화성 액체 배합물의 표면과 최종 경화된 제품의 층 사이에 형성되도록 담체를 하강시키며, 또 담체의 운동에 의해 방사선-경화성 액체 배합물의 균일화를 실시하는 것을 포함한다.
입체 리토그래피 수지 조에서 수직방향으로 이동할 수 있는 담체를 사용하는 다수의 입체 리토그래피 장치에서, 제품의 일부 층의 경화 이후, 담체가 컴퓨터 제어에 의해 이미 하강하였기 때문에, 소정의 일부 층을 경화한 후, 담체가 컴퓨터 제어에 의해 입체 리토그래피 조의 수직축을 따라 다양한 충전재 함량을 평준화시키기 위해 상하로 이동하도록 상기 장치를 변화시킬 수 있다.
신규 방법의 또 다른 구체예에서, 균일화는 제품에 대해 존재할 수 있는 담체와 상이한 교반 장치를 사용하여 전면 또는 부분적으로 실시되며, 이 장치는 제품이 제조되는 용기에 설치된다.
입체 리토그래피 수지의 균일화는 제품이 제조되는 용기 외부에서 동일하게 실시될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 제품의 각각 또는 몇몇 층의 경화 이후, 바람직하게는 3차원 제품이 제조되는 용기의 바닥으로부터 입체 리토그래피 수지를 제거할 수 있고 또 이것을 활성 교반장치가 용기에 존재하는 입체 리토그래피 수지를 균일화하는 제 2용기로 이송할 수 있다. 이어서, 새로이 균일화된 입체 리토그래피 수지는 제 2용기로부터 제품이 제조된 용기로 재이송한다. 이 수지를 상기 용기에 부가하는 것은 특히 바람직하게는 용기의 표면영역 상에 균일한 분포로 실시된다. 이후, 제품의 제조는 또 다른 층을 경화함으로써 계속될 수 있다. 본 방법의 또 다른 잇점은 수지의 연속적인 균일화가 단순한 방식으로도 가능하다는 것이다.
입체 리토그래피 수지의 균일화의 필요한 정도는 수지 배합물, 특히 사용된 충전재의 양, 밀도 및 입경 및 잔류 입체 리토그래피 수지의 밀도 및 점도에 따라 다르다. 상기 신규 방법을 사용하고자 하는 숙련공은 몇몇 통상적인 시험 예컨대 입체 리토그래피 수지를 균일화시키는 데 필요한 시간 및 기간 이후, 충전재의 침전 속도를 측정함으로써 결정해야 한다.
신규 방법의 또 다른 바람직한 구체예에서, 방사선-경화성 액체 배합물의 균일화 정도는 제품이 제조되는 용기에서 방사선-경화성 액체 배합물의 표면의 바로 아래에 있는 층에서 충전재 함량의 함수로서 제어되며, 이때 상기 층의 충전재 함량은 혼탁도 측정에 의해 결정된다.
균일화는 특히 바람직하게는 방사선-경화성 액체 배합물의 표면과 제품의 최종 경화층의 표면 사이의 층에서 충전재 함량의 함수로서 제어된다. 이러한 제어는 전형적으로 광다이오드 전류를 사용하는, 예컨대 방사선-경화성 액체 배합물의 상기 표면을 조사하는 광선 또는 레이저빔의 반사량 측정을 토대로 유용하게 달성될 수 있다. 시간이 경과하면서, 충전재의 부유는 산란을 증가시킴으로써 방사선의 반사량을 증가시키는 반면, 충전재의 침전은 반사량을 감소시킨다.
실시예 1:
하기 표 1에 기재된 배합물 형태 1 내지 3의 개별 성분을 계량하고 기계 교반기가 구비된 플라스크에서 1시간 동안 40℃에서 혼합하였다. 이후, 이 배합물의 점도를 브룩필드 점도계 DV II(작은 샘플 연결관을 가진 스핀들 크기 34)를 사용하여 30℃에서 측정하였다.
[표 1]
1) 미국 사르토머사가 제조한 Sartomer SR 349;
2) 미국 사르토머사가 제조한 Sartomer SR 348;
3) 스위스 시바-가이기사가 제조한 Irgacure 184;
4) 독일 포터스-발로티니사 제품.
배합물 형태 1 내지 3의 침전속도를 다음과 같이 측정하였다: 높이 18cm, 외경 18mm 및 내경 15mm의 시험관을 표 1의 새로이 혼합된 배합물 중 하나로 레벨 15cm 이하까지 채웠다. 이 시험관을 광으로부터 보호되는 무-통풍 위치에 저장하고 또 각각의 시험관에서 미세 유리 비이드 상의 투명용액의 레벨을 매 24시간 마다 측정하였다. 그 값을 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
침전 속도를 결정하기 위해, 회귀선을 최소자승법에 의해 측정하였다. 선의 경사도는 1일 당 몇 밀리미터의 미세 유리 비드가 침전되는가를 의미한다. 입체 리토그래피 제품의 제조 시간은 전형적으로 수 시간 내지 수 일이기 때문에, 충전재의 밀도가 수지 메트릭스와 매우 상이하면 입체 리토그래피 혼합물에서 충전재의 분포를 안정화시키기 위한 조치를 취하지 않고 충전재와 함께 균일하게 구성된 입체 리토그래피 제품을 제조할 수 없다.
배합물 형태 2의 감광성을 미국 발렌시아 소재 3D 시스템사가 제작한, 325nm 에서 전력 15mW를 갖는 He/Cd 레이저가 구비된 입체 리토그래피 장치에서 폴 F. 제이콥이 발표하고 미국 미시간 디어본 소재 Verlag SME 사 출판한 "Rapid Prototyping ＆ Manufacturing, Fundamentals of stereolithography" 263 내지 277 쪽에 기재된 윈도우 패인(Window Pane) 기술에 의해 측정하였다. 수지 배합물 형태 2는 임계 에너지 Ec 6.97mJ/cm 및 투과 깊이 Dp 6.99mils(171㎛)을 가졌다.
실시예 2:
A) 수지 배합물 형태 2로 충전된 액체 600g을 직경 8cm를 갖는 유리 비이커 500ml, 레벨 13cm를 갖는 수지 조에 충전시켰다. 상술한 입체 리토그래피 장치를 사용하여, 길이 25mm, 폭 12mm 및 높이 100mm를 갖는 입방체(cuboid)를 제조하였다. 장치 매뉴얼의 기재에 따라 실시하였다. 먼저, 입방체 단면 0.25mm를 제조하였다 이후, 이 방사선-경화 층을 수지 조에서 경화된 층의 표면으로부터 수지 조의 표면까지 계산하여 4mm 하강시킨 다음, 수지조에서 방사선-경화된 층 표면과 수지 조의 표면사이의 거리가 0.25mm가 되도록 재차 상승시켰다. 수지 층이 30초 동안 침전되도록 한 후, 레이저 빔으로 경화하였다. 상기 절차를 방사선-경화된 입방체 그린 모델이 준비될 때까지 계속하였다.
B) A)에 대해 상술한 바와 같이 또 다른 제품을 제조하였다. 그러나, 수지 배합물에서 충전재의 분포를 보다 안정화시키기 위해, 각 층을 경화한 후, 방사선-경화된 제품을 3D-시스템 매뉴얼에서 추천한 바와 같이 4mm 뿐만 아니라, 하강 속도를 50mm/초로 하여 70 내지 10mm까지 하강시켰다. 최저점에서 1초 동안 멈추게 한 다음, 수지조에서 이 제품을 방사선-경화된 층 표면과 액체 조의 표면 사이의 거리가 0.25mm가 되도록 동일한 속도로 상승시켰다.
3D 시스템 사가 제작한 시판용 후경화 오븐에서 1시간 후경화한 후, 지침 A)및 B)에 따라 수득한 2개의 입방체를 다이아몬드 톱으로 절단하여 1cm 판을 만들었다. 특별한 균일화 없이, 지침 A)에 따라 수득한 제품의 판은 바닥으로부터 상부까지 점점 더 투명하였다. 이 효과를 보다 정량화하기 위해, 다이아몬드 톱으로 2개의 입방체의 1cm 판 각각의 상부 말단으로부터 1mm 판을 분리하였다. 이 판을 화학 저울로 계량한 다음, 수지 메트릭스가 완전 연소되는 1000℃의 머플로(muffle furnace)에서 소각하였다. 잔류 충전재를 화학 저울로 계량하였다.
하기 표 3에서, 2개의 입방체에 대해 상이한 레벨에 있는 층의 충전재 함량을 대조하였다. 표로부터, 충전재를 균일화시키지 않은 지침 (A)에 따라 제조한 시험 샘플은 제조 레벨 5cm에서 단지 미량의 충전재만을 함유한다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 상기 과정에서, 충전재 함량에 따라 다른 입체 리토그래피 제품의 특성 예컨대 기계적 특성은 비-제어 방식으로 상당히 변화하였다. 본 발명에 따라 실시된 단순한 균일화를 사용하여 충전재의 분포를 실질적으로 강화할 수 있었다.
[표 3]

Claims (8)

  1. 충전재와 함께 방사선-경화성 액체 배합물을 함유하는 용기 내에서, (a)배합물의 표면층인 방사선-경화성 액체 배합물의 하나의 층이 이 층의 레벨에서 제조될 3차원 제품의 소망하는 단면에 상응하는 표면 영역내에서 적합한 방사선을 사용하여 경화되는 단계 및 (b)방사선-경화성 액체 배합물의 신규 층이 상기 경화된 층상에 형성되는 단계 의 2개 단계를 교대로 반복하는 연속 공정에 의하여 제조되는 3차원 제품의 입체 리토그래피 제조 방법에 있어서, 상기 제조공정 중에, 경화된 층이 단계 (b)에서 코팅되는 층의 영역에서 방사선-경화성 액체 배합물내의 충전재 함량에 있어 인식할 만한 변화가 없는 정도로, 방사선-경화성 액체 배합물을 연속적으로 또는 불연속적으로 균일화하는 것을 특징으로 하는 3차원 제품의 입체 리토그래피 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 3차원 제품의 제조과정 중에 연속 단계 (a) 및 (b)를 한번 또는 여러번 중단하고 또 이 과정 중에 3차원 물체가 제조되는 용기에서 방사선-경화성 액체 배합물을 균일화하는 것을 포함하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 방사선-경화성 액체 배합물을 함유하는 용기에서 수직 방향으로 이동할 수 있도록 설치된 기재 판으로서 담체 상에서 3차원 제품을 제조하고, 상기 3차원 제품의 각 층을 경화시킨 후 방사선-경화성 액체 배합물의 신규 층이 방사선-경화성 액체 배합물의 표면과 최종 경화된 제품의 층 사이에 형성되도록 방사선-경화성 액체 배합물과 함께 용기로 담체를 더 하강시키며, 또 담체의 운동에 의해 방사선-경화성 액체 배합물의 균일화를 실시하는 것을 포함하는 방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 균일화가 3차원 제품이 제조되는 용기에 설치된 교반 장치를 사용하여 적어도 부분적으로 실시되는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 제품의 각각 또는 몇몇 층의 경화 이후, 3차원 제품이 제조되는 용기로부터 방사선-경화성 액체 배합물을 제거하고, 이것을 교반장치가 상기 용기에 존재하는 배합물을 균일화하는 제 2용기로 이송한 다음, 새로이 균일화된 방사선-경화성 액체 배합물을 제 2용기로부터 제품이 제조된 용기로 재이송하며, 또 다음 층을 경화함으로써 제품 제조를 계속하는 것을 포함하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 교반 장치가 연속적으로 활성인 방법.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나에 있어서, 방사선-경화성 액체 배합물의 균일화 정도를 제품이 제조되는 용기에서 방사선-경화성 액체 배합물의 표면의 바로 아래의 층에서 충전재 함량의 함수로서 제어하는 것을 포함하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 제어가 방사선-경화성 액체 배합물의 상기 표면을 조사하는 광선 또는 레이저빔의 반사량을 토대로 실시되는 방법.
KR10-1998-0704365A 1995-12-22 1996-12-10 충전재를함유하는방사선-경화성액체배합물을사용한3차원제품의입체리토그래피제조방법 KR100464869B1 (ko)

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