KR101457253B1 - 복합 재료로부터 부품을 제조하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

매트릭스 및 복수의 강화 성분들을 포함하는 복합 재료로부터 부품을 부가적으로 제조하는 방법은 각 층들은 이전 층의 상부에 형성되는, 일련의 상기 복합 재료의 층들을 형성하는 단계와, 다음 층이 그 상부에 형성되기 전에 상기 복합 재료에 상기 강화 성분들의 적어도 일부를 회전시키는 전자기장을 인가하는 단계를 포함한다.

Description

복합 재료로부터 부품을 제조하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING A COMPONENT FROM A COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은 복합 재료로부터 부품(component)을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
액체 합성 매트릭스에서 탄소 나노튜브(carbon nanotubes, CNTs)들을 정렬하기 위해 전자기장을 사용하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, “전기장을 이용하는 정렬된 단일벽 탄소 나노튜브 중합체 합성물(Aligned Single Wall Carbon Nanotube Polymer Composites Using an Electric Field)”, 씨. 박(C. Park), 제이. 윌킨슨(J. Wilkinson), 에스. 반다(S. Banda), 지. 오우나이즈(G. Ounaies), 케이.이. 와이즈(K.E. Wise), 지. 사우티(G. Sauti), 피.티. 릴하이(P.T. Lillehei), 제이. 에스. 해리슨(J.S. Harrison), 저널 오브 폴리머 사이언스 파트 비(Journal of Polymer Science Part B): 폴리머 피직스(Polymer Physics) 2006년, 44, 1751-1762. 에 관한 논문이 있다. 이 논문에서, 교류 전류장이 여러 가지 세기 및 진동수로 사용되는 것을 개시하고 있다.
이러한 기술에서의 문제점은 전기장이 상대적으로 얇은 층에서만 탄소 나노튜브들을 정렬시킨다는 것이다. 두꺼운 재료에서의 탄소 나노튜브들의 정렬은 불가능한데, 합성 매트릭스의 점도가 충분한 세기의 전기장을 사용하는 체적을 통해 극복되어야 하기 때문이다.
본 발명의 제1 측면은 복합 재료로부터 부품을 부가적으로 제조하는 방법을 제공하는 것으로서, 상기 복합 재료는 매트릭스 및 복수의 강화 성분들을 포함하고, 상기 방법은, 각층들은 이전 층의 상부에 형성되는, 일련의 상기 복합 재료의 층들을 형성하는 단계와, 다음 층이 그 상부에 형성되기 전에 상기 복합 재료에 상기 강화 성분들의 적어도 일부를 회전시키는 전자기장을 인가하는 단계를 포함한다.
각 층은 다음 층이 그 상부에 형성되기 전에, 상기 층의 선택된 부분들에 에너지를 제공함으로써 통합되고 경화될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 바람직한 실시예의 “파우더 베드(powder bed)” 배열에서, 복합 재료는 파우더를 포함하고, 상기 각 파우더 입자는 매트릭스 내에 함유된 복수의 강화 성분들을 포함하며, 상기 에너지는 상기 매트릭스를 녹임으로써 각 층의 선택된 부분들을 통합시킨다. 이 경우, 전자기장은 파우더 입자들의 적어도 일부를 회전시킨다.
통상적으로, 상기 복합 재료는 상기 전자기장이 인가될 때 예를 들어, 휘젓기 또는 초음파 교반을 통해서 교란된다.
상기 강화 성분들은 상기 전자기장이 인가되기 전에 정렬될 수 있다. 그리고 이 경우, 상기 성분들은 함께 회전할 수 있다. 예를 들어, 상기 전자기장은 상기 성분들을 수직 방향에서 경사진 방향으로 함께 회전시킬 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 성분들의 적어도 일부는 서로에 대하여 회전하여 예를 들어, 무질서 상태에서 상호일치 상태로 된다.
상기 성분들의 특성은 두 개 이상의 층들에 서로 다른 전자기장을 인가함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 인가된 전자기장의 방향, 패턴, 세기, 및/또는 진동수는 층들 사이에서 변할 수 있다.
통상적으로, 상기 방법은 서로 다른 형태, 크기 또는 패턴을 갖는 두 개 이상의 층들을 형성하는 단계를 더 포함한다. 이는, 원하는 형태대로 컴퓨터 모델 제어에 의해서 각 층을 형성함으로써 성분을 소위, “그물 형태(net-shape)”로 형성되게 할 수 있다.
상기 강화 성분들은 통상적으로 튜브, 섬유 또는 기판과 같이 연장된 구조를 가진다. 상기 강화 성분들은 고체 또는 관 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 강화 성분들은 단일벽 탄소 나노튜브(CNTs); 다중벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유; 또는 비정질 탄소층 또는 금속층으로 코팅된 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다.
통상적으로, 하나 이상의 상기 강화 성분들은 100보다 큰, 바람직하게는 1000보다 큰, 가장 바람직하게는 106 보다 큰 종횡비를 갖는다.
상기 강화 성분들은 탄화규소(silicon carbide) 또는 산화알루미늄(alumina)과 같은 어떠한 재료로도 형성될 수 있으나, 바람직하게는 탄소로 형성된다. 이것은 탄소-탄소 결합의 세기와 단단함 그리고, 탄소 재료에서 발견되는 전기적 특성 때문에 선호된다.
본 발명의 제2 측면은 복합 재료로부터 부품을 부가적으로 제조하기 위한 장치를 제공한다. 상기 복합 재료는 매트릭스 및 복수의 강화 성분들을 포함하고, 상기 장치는, 빌드 플랫폼(build platform)과, 상기 빌드 플랫폼 상에, 각 층들은 이전 층의 상부에 형성되는, 일련의 복합 재료의 층들을 형성하기 위한 장치, 및 다음 층이 그 상부에 형성되기 전에 상기 강화 성분들의 적어도 일부를 회전시키는 전자기장을 상기 복합 재료에 인가하기 위한 전극을 포함한다.
본 발명의 제3 측면은 매트릭스 내부에 함유된 복수의 강화 성분들을 포함하는 입자를 갖는 합성 파우더를 제공한다.
본 발명의 제4 측면은 섬유를 일련의 조각들로 자르는 단계를 포함하고, 각 조각들은 파우더 입자를 포함하며, 상기 섬유는 매트릭스 내에 함유된 복수의 강화 성분들을 포함하는 합성 파우더를 제조하는 방법을 제공한다.
통상적으로, 상기 섬유의 강화 성분들은 적어도 부분적으로 서로에 대해 정렬된다.
이하, 본 발명의 실시예들에 첨부된 도면들을 참조하여, 설명될 것이다.
도 1은 섬유의 단면도이다.
도 2는 일련의 조각들로 잘라진 섬유를 나타내는 도면이다.
도 3은 3차원에서 무작위적으로 배열된 입자들을 갖는 중합체 파우더 층을 나타내는 도면이다.
도 4는 파우더 베드 부가 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 전자기장에 의해 정렬되는 층을 나타내는 도면이다.
도 6은 중합체 파우더를 통합층으로 녹이는 에너지원을 나타내는 도면이다.
도 7은 3층으로 형성된 부품을 나타내는 도면이다.
도 1은 섬유(1)의 일부분을 나타낸다. 섬유(1)는 중합체 매트릭스 내에 함유된 복수의 단일벽 탄소 나노튜브(SWNTs, 2)를 포함한다. 단일벽 탄소 나노튜브(2)는 섬유(1)의 길이를 따라 평행하게 정렬된다.
섬유(1)는 전기방사법(electrospinning), 용융방사법(melt spinning)을 포함하여 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 섬유(1)의 전기방사법은 전기장을 용액 방울(대부분 금속 바늘 끝에서)에 인가함으로써 점성있는 중합체 용액을 사용하여 실행된다. 상기 용액은 무작위적으로 배열된 단일벽 탄소 나노튜브(2)이다. 그러나 단일벽 탄소 나노튜브(2)는 상기 전기방사 공정동안 적어도 부분적으로 서로에 대해 정렬된다. 다음과 같은 예들이 있다.
“전기방사 탄소 나노튜브 중합체 합성물의 특성(CHARACTERISTICS OF ELECTROSPUN CARBON NANOTUBE-POLYMER COMPOSITES)”; 하이디 쉬로더-깁슨(Heidi Schreuder-Gibson), 크리스 세네칼(Kris Senecal), 마이클 세넷(Michael Sennett), 종핑 후앙(Zhongping Huang), 지안구오 웬(JianGuo Wen), 웬지 리(Wenzhi Li), 데자이 왕글(Dezhi Wangl), 샤오지엔 양(Shaoxian Yang), 이 툴(Yi Tul), 지펭 런 & 창모 성(Zhifeng Ren & Changmo Sung), 아래 주소에서 온라인 상으로 확인 가능:
http://lib.store.yahoo.net/lib/nanolab2000/Composites.pdf
“탄소 나노튜브 중합체 나노합성물의 전기방사 섬유의 조제 및 전기적 특성 기술(PREPARATION AND ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF ELECTROSPUN FIBERS OF CARBON NANOTUBE-POLYMER NANOCOMPOSITES)”, 비베카난다 순다라이(BIBEKANANDA SUNDARAY), 아래 주소에서 온라인 상으로 확인 가능:
http://www.physics.iitm.ac.in/research_files/synopsis/bibek.pdf
섬유(1)는 도 2에 도시된 바와 같이, 일련의 짧은 조각들(3)로 쪼개어 지고, 각 조각(3)은 파우더 입자를 구성한다.
상기 파우더는 도 3 내지 6에서 도시된 바와 같이, 파우더-베드 부가 제조 공정에서 공급 원료로서 사용된다. 파우더 입자들(3)이 도 3 내지 6에 편의상 연장된 원통 형태 대신 구 형태로 개략적으로 도시되었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 파우더 입자들(3)은 초기에 3차원으로 무작위적으로 배열된다.
도 4는 파우더 베드 부가 제조 장치를 나타낸다. 롤러(미도시)는 두 개의 공급 컨테이너들(미도시) 중 하나로부터 파우더 공급 원료를 픽업하여 빌드 플랫폼(10) 위로 연속적인 파우더 베드를 쌓는다. 상기 롤러는 도 4에 도시된 바와 같이, 인접한 중합체 파우더 입자들 사이에 밀집 정도를 분배시킨다.
초음파 호른(horn, 14)과 같은, 강한 전자기장(즉, 전극들(11, 12))의 공급원 및 초음파 교반의 공급원이 상기 부가층 제조 장치에 구비된다.
초음파 교반 중에, 입자들(3)은 자유롭게 자신의 축 둘레로 회전할 수 있고, 전자기장이 인가되면 상기 입자들이 회전하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전자기장 방향으로 서로 일렬로 정렬된다.
여러 가지 형태의 전자기장이 인가될 수 있다. 예를 들어, 상기 전자기장은 직류(DC) 또는 교류(AC)일 수 있다. 상기 전기 또는 자기 구성 성분이 지배적일 수 있다. 적절한 전자기장의 예시가 다음에 설명되어 있다:
http://www.trnmag.com/Stories/2004/042104/Magnets_align_nanotubes_in_resin_Brief_042104.html
이 문헌은 단일벽 나노튜브가 요변성 수지(thixotropic resin)와 혼합되는 공정을 설명한다. 상기 혼합물이 15T(테슬라)보다 큰 전자장에 노출될 때, 상기 나노튜브는 상기 전자장 방향으로 일렬로 정렬된다.
“전기장을 이용하는 정렬된 단일벽 탄소 나노튜브 중합체 합성물(Aligned Single Wall Carbon Nanotube Polymer Composites Using an Electric Field)”, 씨. 박(C. Park), 제이. 윌킨슨(J. Wilkinson), 에스. 반다(S. Banda), 지. 오우나이즈(G. Ounaies), 케이.이. 와이즈(K.E. Wise), 지. 사우티(G. Sauti), 피.티. 릴하이(P.T. Lillehei), 제이. 에스. 해리슨(J.S. Harrison), 저널 오브 폴리머 사이언스 파트 비(Journal of Polymer Science Part B): 폴리머 피직스(Polymer Physics) 2006년, 44, 1751-1762. 이 논문에서는, 교류장이 여러 가지 세기 및 진동수로 인가되어 탄소 나노튜브를 정렬시킨다.
상기 전자기장이 유지되고 상기 탄소 나노튜브의 전체적인 방향성을 유지하는 동안, 도 6에 도시된 열원(15)이 켜져 상기 중합체 매트릭스 재료를 녹임으로써 통합층(16)을 형성한다. 상기 열원(15)은 예를 들어, 레이저(laser)일 수 있는데, 상기 빌드 플랫폼을 따라서 레이저 빔을 조사하여, 에너지를 상기 베드의 선택된 부분들에 제공한다. 상기 열은 상기 베드의 선택된 부분들을 녹여서 통합시키고, 상기 과정이 완료된 후 녹지 않은 어떤 파우더도 제거될 수 있다.
상기 과정은 도 7에 도시된 일련의 층들(16, 21, 22)을 가지는 부품(20)을 형성하기 위해 반복된다. 상기 레이저 빔은 컴퓨터 모델의 제어에 의해 조사되고 조정되어 각 층을 원하는 그물 형태로 형성한다. 각 층(16, 21)에서 상기 탄소 나노튜브는 다음 층이 그 상부에 형성되기 전에 정렬된다. 그러한 순차적이고 연속적인 방식(모든 층에서 동시에 모든 탄소 나노튜브를 정렬하는 시도 대신)으로 상기 탄소 나노튜브를 정렬함으로써, 상대적으로 적은 양의 에너지만이 원하는 정렬도를 얻기 위해 요구된다.
상기 부품의 특성은 서로 다른 전자기장을 두 개 이상의 상기 층들의 공급 원료에 인가함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어 도 7에서, 단일벽 탄소 나노튜브는 층(16)에서 빌드 플랫폼에 대하여 90도로 정렬되고, 층(21)에서는 빌드 플랫폼에 대하여 -45도로 정렬되고, 층(22)에서는 빌드 플랫폼에 대하여 +45도로 정렬된다. 상기 방향을 변화시키는 것과 마찬가지로, 상기 인가된 전자기장의 패턴, 세기 또는 진동수도 층들 사이에서 변화할 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
다른 실시예에서 예를 들면, 상기 복합 재료는 배트(vat)안에 함유된 광 경화 액체를 포함할 수 있다. 상기 배트는 상기 액체의 표면 위로 살짝 띄워져 얇은 액체층을 형성하는 빌드 플랫폼을 포함한다. 상기 얇은 액체층은 전자기장에 노출되어 강화 성분들을 회전시킨다. 상기 얇은 액체층은 선택된 패턴으로 레이저로 조사되어 액체를 선택적으로 경화시킨다.
또 다른 실시예에서, 상기 복합 재료는 공급 헤드에서부터 빌드 영역의 선택된 부분들까지 축적될 수 있다. 이러한 과정의 예는, 파우더 공급 원료가 노즐로부터 방출되고 노즐에서 나올 때 녹는, 소위 “파우더 공급” 과정이다. 상기 노즐은 빌드 플랫폼을 따라서 지나가고, 요구에 따라, 용해된 파우더가 유출되거나 유출되지 않는다. 이 경우, 강화 성분들이 상기 공급 헤드에서 나올 때 또는 그것들이 축적된 후 상기 빌드 플랫폼 상에서 회전될 수 있다. 상기 설명된 방법과 같게, 상기 부품은 일련의 층들에 쌓이지만 이 경우, 상기 층들은 평평하지 않을 수 있고/또는 수평이 아닐 수 있다.
1: 섬유 2: 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT)
3: 파우더 입자 10: 빌드 플랫폼
11, 12: 전극 14: 초음파 호른
15: 열원 16: 통합층
20: 부품

Claims (19)

  1. 매트릭스 및 복수의 강화 성분들을 포함하는 복합 재료로부터 부품을 부가적으로 제조하는 방법으로서,
    각 층들은 이전 층의 상부에 형성되는, 일련의 상기 복합 재료의 층들을 형성하는 단계;
    다음 층이 그 상부에 형성되기 전에 상기 복합 재료에 강화 성분들의 적어도 일부를 회전시키는 전자기장을 인가하는 단계; 및
    상기 다음 층이 그 상부에 형성되기 전에 각 층의 선택된 부분들에 각 층의 상기 선택된 부분들을 경화 또는 통합시키거나, 경화 및 통합시키는 에너지를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 복합 재료는 파우더를 포함하고, 상기 각 파우더 입자는 매트릭스 내에 함유된 복수의 강화 성분들을 포함하며, 상기 에너지는 상기 매트릭스를 녹임으로써 파우더 베드의 선택된 부분들을 통합시키는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자기장은 파우더 입자들의 적어도 일부를 회전시키는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전자기장이 인가될 때 상기 복합 재료를 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복합 재료는 초음파에 의해 교반되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 강화 성분들의 적어도 일부는 서로에 대하여 회전하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    서로 다른 전기장들을 두 개 이상의 상기 층들에 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    서로 다른 형상, 크기 또는 패턴을 갖는 두 개 이상의 상기 층들을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 강화 성분들은 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 강화 성분들은 단일벽 탄소 나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 매트릭스 및 복수의 강화 성분들을 포함하는 복합 재료로부터 부품을 부가적으로 제조하는 장치로서,
    빌드 플랫폼;
    상기 빌드 플랫폼 상에, 각 층들은 이전 층의 상부에 형성되는, 일련의 복합 재료의 층들을 형성하기 위한 장치;
    다음 층이 그 상부에 형성되기 전에 상기 강화 성분들의 적어도 일부를 회전시키는 전자기장을 상기 복합 재료에 인가하기 위한 전극; 및
    상기 다음 층이 그 상부에 형성되기 전에 각 층의 선택된 부분들에 각 층의 상기 선택된 부분들을 경화 또는 통합시키거나 경화 및 통합시키는 에너지를 제공하기 위한 열원을 포함하고,
    상기 복합 재료는 파우더를 포함하고, 상기 각 파우더 입자는 매트릭스 내에 함유된 복수의 강화 성분들을 포함하며, 상기 열원에서 제공되는 에너지는 상기 매트릭스를 녹임으로써 파우더 베드의 선택된 부분들을 통합시키는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
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