KR101715865B1 - Polymer for 3D printing and printing method by use of it - Google Patents

Polymer for 3D printing and printing method by use of it Download PDF

Info

Publication number
KR101715865B1
KR101715865B1 KR1020150140267A KR20150140267A KR101715865B1 KR 101715865 B1 KR101715865 B1 KR 101715865B1 KR 1020150140267 A KR1020150140267 A KR 1020150140267A KR 20150140267 A KR20150140267 A KR 20150140267A KR 101715865 B1 KR101715865 B1 KR 101715865B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
printing
polymer
present
par
pet
Prior art date
Application number
KR1020150140267A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
이승구
Original Assignee
충남대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 충남대학교산학협력단 filed Critical 충남대학교산학협력단
Priority to KR1020150140267A priority Critical patent/KR101715865B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101715865B1 publication Critical patent/KR101715865B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29BPREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B9/00Making granules
    • B29B9/02Making granules by dividing preformed material
    • B29B9/06Making granules by dividing preformed material in the form of filamentary material, e.g. combined with extrusion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29BPREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B11/00Making preforms
    • B29B11/06Making preforms by moulding the material
    • B29B11/10Extrusion moulding
    • B29C67/0088
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00Materials specially adapted for additive manufacturing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)

Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a polymer for 3D printing and a 3D printing method using the same. According to the present invention, a polymer in a blend form, which can be applied for 3D printing, can be manufactured, so a polymer having excellent thermal properties such as the glass transition temperature, the melting temperature, etc. and mechanical properties such as the hardness, the modulus of elasticity, the tensile elongation, etc. can be manufactured by performing 3D printing at proper conditions using the same.

Description

3D 프린팅용 고분자 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법 {Polymer for 3D printing and printing method by use of it}Technical Field [0001] The present invention relates to a polymer for 3D printing and a 3D printing method using the same,

본 발명은 3D 프린팅용 고분자 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 3D 프린팅에 적합하도록 배합하여 제조된 고분자 및 이를 이용하여 적절한 조건에서 3D 프린팅하여 강도, 탄성율 등 열적 및 기계적 물성이 향상된 고분자를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer for 3D printing and a 3D printing method using the same. More specifically, the present invention relates to a polymer prepared by blending to suit 3D printing, and a method for producing a polymer having improved thermal and mechanical properties such as strength and elastic modulus by 3D printing under appropriate conditions using the polymer.

3D 프린팅은 고분자를 융사하여 3차원 형상을 자유롭게 제조할 수 있는 기술로서 3차원(3 dimenion; 3D) 데이터를 바탕으로 목표하는 물건을 물체의 형상대로 얇은 층을 무수히 반복하여 쌓아 제조하게 된다. 3D 프린팅이 가능한 3D 프린터의 개발 초기에는 플라스틱 소재에 국한됐지만 최근에는 나일론과 금속 등으로 범위가 확장되고 있다. 하나의 물체만 제조하여도 비용이 적게 소요되고 복잡한 형상도 쉽게 만들어낼 수 있다는 장점이 있어 제조업 분야에 활용도가 매우 높다. 3D printing is a technique to freely fabricate a three-dimensional shape by fusing a polymer, and a desired object is repeatedly stacked on a thin layer in the shape of an object based on three-dimensional (3D) data. The development of 3D printers capable of 3D printing was initially limited to plastic materials, but recently the range has expanded to include nylon and metal. Even if only one object is manufactured, the cost is low and the complicated shape can be easily produced, which is very useful in the manufacturing field.

섬유강화 복합재료는 강화재로써 섬유를 이용한 복합재료를 의미하는 것으로 기재의 종류에 따라 섬유강화 플라스틱(FRP), 섬유강화 금속(FRM), 섬유강화 세라믹(FR) 및 섬유강화 콘크리트(FRC) 등이 있다. 섬유 재질은 금속, 글래스, 탄소, 세라믹, 유기물(인공 및 천연)등이 있고, 섬유에 무전해도금 등의 표면처리를 하여 사용한 것도 있다. 섬유강화 복합재료는 항공기나 무인기 기체/부품, 경량구조소재, 전기전자용 부품의 제조, 자동차용 구조/부품, 건축토목용 소재, 액체/기체 필터, 고강도 플라스틱 소재 및 부품 등과 같이 다양한 분야에 응용될 수 있다. Fiber reinforced composite materials are composite materials using fibers as reinforcing materials. Depending on the type of substrate, fiber reinforced plastics (FRP), fiber reinforced metals (FRM), fiber reinforced ceramics (FR) and fiber reinforced concrete (FRC) have. Fiber materials include metal, glass, carbon, ceramics, and organic materials (artificial and natural). Some of the fibers have been subjected to surface treatment such as electroless plating. Fiber-reinforced composites are used in a wide range of applications such as aircraft and UAV / airframe / parts, lightweight structural materials, manufacturing of electrical and electronic components, automotive structures / components, construction civil engineering materials, liquid / gas filters, high strength plastic materials and components .

최근 한국공개특허 제10-2013-0120113과 같이 섬유강화 복합재료를 제조하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있으나, 일반적인 섬유강화 복합재료의 제조기술은 프리프레그(prepreg) 적층법, 함침법 등 여러 단계의 복잡한 공정을 거쳐야 하는 한계를 지닌다. 그러나 최근 개발되어오고 있는 3D 프린팅을 이용한 복합재료의 제조공정은 기존의 복합재료 특성을 유지하면서도 복합재료를 간단한 장치로 용이하게 형성할 수 있어 섬유강화복합재료 제조기술에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 아직 섬유강화 복합재료를 3D 프린팅 기술에 적용 시킨 기술은 확인된 바 없다.Recently, various techniques for fabricating a fiber-reinforced composite material have been developed, such as Korean Patent Laid-Open No. 10-2013-0120113. However, general fiber-reinforced composite material manufacturing techniques are not limited to the prepreg lamination method, It has a limitation that it must go through a complicated process. However, it is expected that the fabrication process of composite materials using 3D printing, which has been developed recently, can be applied to the fabrication of fiber reinforced composite materials by easily forming composite materials with simple devices while maintaining the existing composite material properties do. However, no technology has yet been identified that applies fiber-reinforced composite materials to 3D printing technology.

이에 본 발명자들은 3D 프린팅에 적용 가능한 고분자 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법을 개발하고자 실험을 거듭한 끝에 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors have completed the present invention after completing experiments to develop a polymer applicable to 3D printing and a 3D printing method using the same.

한국공개특허 KR 10-2013-0086939 AKorean Patent Publication No. 10-2013-0086939 A

따라서 본 발명은 고분자를 적절히 배합하여 3D 프린팅에 적용 가능한 고분자를 제공하는 것을 목적으로 한다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a polymer that can be applied to 3D printing by properly blending a polymer.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 3D 프린팅용 고분자를 사용하여 3D 프린팅함으로써 다단계의 제조공정이 생략되고 복잡한 형상을 정밀하고 미세하게 만듦과 동시에 강도, 탄성률 등이 향상되어 섬유강화 복합재료로 활용될 수 있는 고분자를 제조하기 위한 3D 프린팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is a further object of the present invention to provide a method for manufacturing a 3D-printing composite material by 3D printing using the polymer for 3D printing, omitting a multi-step manufacturing process, precisely and finely forming a complicated shape and improving strength and elasticity, The present invention also provides a 3D printing method for producing a high molecular weight polymer.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 폴리아릴레이트(polyarylate; PAR)를 압출하는 단계; b) 상기 a) 단계의 압출된 폴리아릴레이트를 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate; PET)와 혼합하는 단계; c) 상기 b) 단계의 혼합물을 압출기를 사용하여 50-500rpm의 스크류 회전속도로 압출하여 모노필라멘트(monofilament)를 제조하는 단계; 및 d) 상기 모노 필라멘트를 건조하는 단계를 포함하는 3D 프린팅용 고분자의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a) extruding a polyarylate (PAR); b) mixing the extruded polyarylate of step a) with polyethyleneterephthalate (PET); c) extruding the mixture of step b) at a screw rotation speed of 50-500 rpm using an extruder to produce a monofilament; And d) drying the monofilament. The present invention also provides a method for producing a polymer for 3D printing.

본 발명에 있어서, 상기 c) 단계의 압출은 느린 스크류 회전속도로 압출할 경우 저전단(shear)으로 인하여 분산이 잘 이루어지지 않고, 그 결과 결함이 발생할 수 있다. 반면 지나치게 빠른 스크류 회전속도로 압출할 경우 상대적으로 균일하게 분산될 수 있으나 고전단으로 인하여 고분자의 강도가 저하될 수 있으므로, 적절한 스크류 회전 속도를 유지하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 발명에서는 상기 b) 단계의 고분자 혼합물이 적절히 분산될 수 있음과 동시에 일정 수준 이상의 강도를 나타낼 수 있도록 스크류 회전속도를 설정하고자 실험을 거듭하였고, 그 결과 50-500 rpm의 스크류 회전 속도로 압출하는 것이 바람직함을 확인하였다. In the present invention, when extruding at the slow screw rotating speed, the extrusion of step c) is not well dispersed due to low shear, and as a result, defects may occur. On the other hand, when extruded at an excessively fast screw rotating speed, it can be dispersed relatively uniformly, but it is very important to maintain an appropriate screw rotating speed because the strength of the polymer may be lowered due to high shear. Therefore, in the present invention, the experiment was repeated to set the screw rotation speed so that the polymer mixture in the step b) could be appropriately dispersed and at the same time, a certain level of strength was exhibited. As a result, extrusion was performed at a screw rotating speed of 50-500 rpm .

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 a) 단계의 압출은 압출기를 사용하여 400-4000rpm의 스크류 회전속도로, 5-65초 동안 혼련된 후 압출될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the extrusion of step a) may be extruded after kneading for 5 to 65 seconds at a screw rotation speed of 400-4000 rpm using an extruder.

본 발명에 있어서 상기 압출기(extruder)는 가압 성형기의 일종으로 원통에 재료를 넣고 압출하는 왕복식과, 원통 안에서 스크류를 회전하여 압출하는 연속식이 있는데, 두 방식 모두 원통의 출구에 장치되는 다이의 형태에 따라 정해지는 단막형의 막대모양 또는 실 모양을 압출할 수 있다. 본 발명에서는 구체적으로 원통 안에 스크류를 회전시키는 연속식 압출기를 사용하였는데, 스크류에 의한 압출기는 선 모양 또는 관 모양의 성형품을 연속적으로 얻어져, 플라스틱, 합성섬유의 압출 방사 등에 사용될 수 있다. 상기 압출기에서 스크류의 회전속도를 조절함으로써 다른 물성을 갖는 고분자를 제조할 수 있는데 본 발명에서는 3D 프린팅에 최적화된 고분자를 제조하기 위하여 상기 스크류의 회전속도를 적절히 설정하였다.In the present invention, the extruder is a kind of a press-forming machine, which is a reciprocating type in which a material is put into a cylinder and extruded, and a continuous type in which a screw is rotated and extruded in a cylinder. It is possible to extrude the rod-shaped or thread-like shape of the monomolecular shape determined according to the above. In the present invention, specifically, a continuous extruder for rotating a screw in a cylinder is used, but an extruder using a screw can continuously obtain a linear or tubular shaped product and can be used for extrusion-spinning of plastics and synthetic fibers. In the present invention, the rotational speed of the screw is appropriately set in order to produce a polymer optimized for 3D printing.

본 발명에 있어서 상기 a) 단계의 압출은 느린 회전속도로 압출될 경우, 저전단(shear)으로 인하여 미세구조상의 분산이 잘 이루어지지 않음에 따라 표면 및 구조상 결함의 원인이 될 수 있다. 반면 지나치게 빠른 회전속도로 압출할 경우, 미세한 구조로 균일하게 분산될 수는 있으나, 고전단으로 인하여 전단응력 마찰이 발생하고 분자의 절단과 산화가 심화되어 탄성 저하(brittle)가 일어날 수 있어, 결과적으로 물성 저하의 원인이 될 수 있다. 즉, 목적에 따라 적절한 압출 속도를 유지하는 것이 중요한데, 이에 본 발명에서는 섬유강화 복합재료로 사용하기 위한 3D 프린팅에 적당한 스크류 회전속도를 설정하고자 실험을 거듭하였고, 그 결과 400-4000rpm의 스크류 회전속도로 압출하는 것이 바람직함을 확인하였다.In the present invention, when extruding at a slow rotational speed, extrusion in the step a) is not well dispersed on the microstructure due to low shear, which may cause surface and structural defects. On the other hand, when extruded at an excessively high rotational speed, it is possible to uniformly disperse in a fine structure, but due to high shear, shear stress friction occurs, and molecular cutoff and oxidation are deepened and elasticity brittle may occur. Resulting in deterioration of physical properties. That is, it is important to maintain an appropriate extrusion rate according to the purpose. In the present invention, experiments were repeated to set an appropriate screw rotation speed for 3D printing for use as a fiber-reinforced composite material. As a result, As shown in Fig.

본 발명에 있어서 상기 혼련은 기계적 전단력을 가하여 분산시킴으로써 균등하게 섞이도록 하는 작업을 의미하는 것으로, 본 발명에서는 3D 프린팅에 최적화된 고분자를 제조하기 위하여 적절한 배합 순서, 혼련 시간, 온도를 설정하였다.In the present invention, the kneading means an operation of uniformly mixing by applying a mechanical shearing force. In the present invention, an appropriate mixing procedure, a kneading time, and a temperature are set in order to produce a polymer optimized for 3D printing.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 a) 단계의 압출은 250-350℃에서 이루어질 수 있으나 바람직하게는 290-330℃에서 이루어질 수 있다. 압출이 약 300℃의 고온에서 이루어짐으로써 액정 고분자의 용융이 가능하여 두 가지 이상의 고분자를 적절히 블렌드 하는 것이 용이하다. 본 발명에서는 압출기의 노즐 등이 상기와 같은 고온을 견딜 수 있도록 풀메탈 소재로 제조된 것을 사용하였다.In one embodiment of the present invention, the extrusion of step a) may be performed at 250-350 ° C, but preferably at 290-330 ° C. Extrusion is carried out at a high temperature of about 300 캜, so that the liquid crystal polymer can be melted and it is easy to appropriately blend two or more polymers. In the present invention, a nozzle made of a full metal material is used to withstand the high temperature as described above.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 b) 단계의 PET 대신 나일론-6(Nylon-6), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate; PBT) 및 폴리에틸렌나프탈레이트(polyehtylene naphthalate; PEN)으로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 PAR과 혼합할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the PET of step b) may be replaced with a polymer selected from the group consisting of nylon-6, polybutylene terephthalate (PBT) and polyethylene naphthalate (PEN) Any one selected can be mixed with PAR.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 b) 단계의 혼합은 폴리아릴레이트와 폴리에틸렌테레프탈레이트 함량을 3:7-7:3로 혼합할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the mixing of the step b) may include mixing the polyarylate and the polyethylene terephthalate in a ratio of 3: 7-7: 3.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 c) 단계의 압출은 250-350℃에서 이루어 질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the extrusion of step c) may be performed at 250-350 ° C.

본 발명에 있어서, 상기 c) 단계의 모노필라멘트는 하나의 노즐에서 방사되는 섬유를 다른 섬유와 꼬여 합치지 않고 최종 제품으로 제조한 것을 의미하는 것으로, 대응되는 개념으로 멀티필라멘트가 있다. 본 발명에 따르면 압출 전 고분자를 블렌드하고, 적절한 스크류 회전속도 및 적절한 온도에서 압출함으로써 두 가지 이상의 고분자가 혼합된 모노필라멘트를 제조할 수 있다.In the present invention, the monofilament in step (c) means that the fibers radiated from one nozzle are manufactured as a final product without being twisted with other fibers, and the corresponding concept is a multifilament. According to the present invention, a monofilament in which two or more polymers are mixed can be produced by blending the polymer before extrusion and extruding at a suitable screw rotating speed and an appropriate temperature.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 d) 단계의 건조는 90-110℃에서 12-16시간동안 이루어 질 수 있다.In one embodiment of the present invention, drying in step d) may be performed at 90-110 ° C for 12-16 hours.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 a) 내지 c) 단계 중 어느 하나 이상의 단계에서 산화방지제를 첨가할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the antioxidant may be added in any one of steps a) to c).

본 발명에 있어서 상기 산화방지제는 고분자 물질, 석유제품, 유지류, 비누 등에 생기기 쉬운 산소의 작용에 의한 자동산화를 방지하기 위해 첨가하는 물질을 의미하는 것으로, 산화방지제를 첨가함으로써 산화로 인한 분자 결합이 끊어지는 것을 방지할 수 있다. 사용할 수 있는 산화방지제로는 부자유 페놀(hindered phenol)계 또는 유황계 산화방지제일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이외에 합성 고무류에는 일반적으로 페닐-β-나프탈아민을 사용하고, 그 밖에 방향족 아민류, 하이드로퀴논 등이 사용되며, 천연고무에는 라텍스 중의 아미노산류가 사용될 수 있다.In the present invention, the antioxidant refers to a substance added to prevent autooxidation due to the action of oxygen, which is liable to occur in a polymer substance, a petroleum product, a fat, a soap and the like. When an antioxidant is added, It is possible to prevent breakage. Examples of the antioxidant that may be used include hindered phenol-based or sulfur-based antioxidant, but are not limited thereto. In addition, phenyl- beta -naphthalamine is generally used for synthetic rubbers, aromatic amines, hydroquinone and the like are used, and amino acids in latex can be used for natural rubber.

본 발명에서는 압출된 고분자의 급격한 산화를 방지하기 위하여 첨가하였으며, 그 결과 산화방지제를 포함한 고분자를 3D 프린팅하였을 경우 산화방지제를 포함하지 않은 고분자를 사용하여 프린팅하였을 때 보다 제조된 고분자가 더 우수한 강도, 탄성율 및 인장신률을 나타내었다(실시예 3 참조).In the present invention, in order to prevent the rapid oxidation of the extruded polymer, it was added. As a result, when the polymer containing the antioxidant was 3D-printed, the polymer prepared by using the polymer containing no antioxidant had better strength, Elastic modulus and tensile elongation (see Example 3).

본 발명에 있어서, 상기 c) 단계의 모노필라멘트를 압출하는 단계 이후에 표면처리하는 과정을 추가로 포함할 수 있다. 3D 프린팅 특성 상 표면에 층이 발생할 수 있고, 이러한 층은 층간계면 파괴나 표면형상의 뷸균일성을 발생시킬 수 있다. 따라서 결함을 최소화하기 위하여 프린팅 후 표면 처리 작업이 반드시 필요하다.In the present invention, it is possible to further include a step of performing a surface treatment after the step of extruding the monofilament of the step (c). 3D printing characteristics can cause layers on the surface, which can cause interlayer interfacial breakdown and surface uniformity. Therefore, it is necessary to perform surface treatment after printing in order to minimize defects.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 고분자를 제공한다.In addition, the present invention provides a polymer produced by the above-mentioned production method.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 고분자를 이용하여 3D 프린팅하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for 3D printing using a polymer produced according to the above-described method.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 3D 프린팅은 230-350℃에서 1-200mm/sec의 프린팅 속도로 이루어 질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the 3D printing may be performed at a printing speed of 1-200 mm / sec at 230-350 ° C.

본 발명에 있어서 상기 프린팅 속도는 사용되는 3D 프린팅 결과 고결정성 및 피브릴 상의 발현을 위한 것으로, 사용되는 폴리아릴레이트의 특성상 느린 속도로 프린트할 경우 고결정성을 나타내지 않으며 피브릴 상의 발현 또한 어렵다. 반면에 지나치게 빠른 속도로 프린트할 경우 피브릴상의 형성이 어려워질 수 있고, 보강재와 기지재 간의 계면파괴를 초래하여 표면 또는 구조상 결함이 발생할 수 있다. 이에 본 발명에서는 고결정성을 나타내고 피브릴 상을 형성함과 동시에 결함이 발생하지 않는 프린팅 속도를 설정하고자 실험을 거듭하였고, 그 결과 상기와 같이 1-200mm/sec의 속도로 프린팅하는 것이 바람직함을 확인하였다.In the present invention, the printing speed is used for high crystallinity and fibril phase expression as a result of 3D printing. Due to the nature of the polyarylate used, it does not show high crystallinity when printed at a slow rate and the fibril phase is difficult to be expressed. On the other hand, printing at too high a speed can make formation of the fibril phase difficult and can lead to interface failure between the stiffener and the substrate, resulting in surface or structural defects. Accordingly, in the present invention, experiments were performed to set a printing speed that exhibited high crystallinity and formed a fibril phase and at the same time a defect did not occur. As a result, it is preferable to perform printing at a speed of 1-200 mm / sec as described above Respectively.

본 발명에 따라 프린팅된 고분자는 항공기나 무인기 기체/부품, 경량구조소재, 전기전자용 부품의 제조, 자동차용 구조/부품, 건축토목용 소재, 액체/기체 필터, 보호소재나 방탄/방검재, 고강도 플라스틱 소재 및 부품 등과 같이 다양한 분야에 응용될 수 있는 섬유강화 복합재료로 활용될 수 있다. The printed polymer according to the present invention can be used in the manufacture of aircraft or UAVs / components, lightweight structural materials, electrical and electronic components, automotive structures / components, architectural civil engineering materials, liquid / gas filters, And can be utilized as a fiber reinforced composite material which can be applied to various fields such as high strength plastic materials and parts.

본 발명에 따르면 3D 프린팅에 적용할 수 있는 블렌드 형태의 고분자를 제조할 수 있고, 이를 이용하여 적절한 조건에서 3D 프린팅 함으로써 유리전이온도, 융점과 같은 열적 물성 및 강도, 탄성율, 인장신률과 같은 기계적 물성이 우수한 고분자를 제조할 수 있음이 확인되었다.According to the present invention, it is possible to produce a blend-type polymer applicable to 3D printing, and it is possible to produce a polymer by 3D printing under appropriate conditions by using the same, thereby obtaining a toner having mechanical properties such as glass transition temperature and thermal property such as melting point, strength, elastic modulus and tensile elongation It was confirmed that this excellent polymer can be produced.

도 1은 본 발명에 따라 3D 프린팅하여 제조된 고분자의 형태를 그림으로 나타낸 것이다.FIG. 1 is a diagram illustrating the shape of a polymer prepared by 3D printing according to the present invention.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, these examples are intended to further illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<실시예 1> 3D 프린팅용 고분자의 제조&Lt; Example 1 > Production of polymer for 3D printing

1.1 PAR/PET 고분자의 제조1.1 Preparation of PAR / PET Polymer

폴리아릴레이트(polyarylate; PAR)는 일본 쿠라레이사의 Vectra를 사용하였고 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate; PET)는 코오롱의 PET Chip Fiber Grade급을 사용하였다. PAR을 고전단 압출기를 사용하여 290 내지 330℃에서 압출기의 스크류 회전속도는 500rpm 내지 4000rpm으로 조정하고 혼련시간은 10 내지 60초까지 달리하여 압출함으로서 PAR의 흐름을 양호하도록 하였다. 상기와 같은 과정으로 고전단 압출한 PAR과 PET를 벤버리 믹서를 사용하여 PAR과 PET의 비율이 50:50, 70:30 및 30:70등과 같은 여러 가지 함량이 되도록 혼합하였다. 다음으로 혼합된 고분자를 압출기의 스크류 회전속도가 50 내지 500rpm이 되도록 하여 290 내지 330℃에서 압출하였고, 다이를 통하여 직경이 100 내지 3000㎛인 모노필라멘트 형태로 제조하였다. 제조된 PAR/PET 모노필라멘트는 100℃의 오븐에서 14시간동안 건조하였다. 상기 과정을 수행하는 모든 단계에서 고분자의 급격한 산화를 방지하기 위하여 산화방지제를 첨가하였다.Polyarylate (PAR) was made by Vera of Kuraray Co. in Japan and polyethylene terephthalate (PET) was made of PET Chip Fiber Grade of Kolon. PAR was adjusted to 290 to 330 ° C using a high shear extruder at a screw rotating speed of 500 rpm to 4000 rpm at an extruder, and the kneading time was varied from 10 to 60 seconds to make the flow of PAR favorable. PAR and PET were high-shear extruded as described above and mixed with various contents such as 50:50, 70:30 and 30:70 ratio of PAR and PET using a Benbury mixer. Next, the mixed polymer was extruded at 290 to 330 ° C so that the screw rotation speed of the extruder was 50 to 500 rpm, and was produced in the form of monofilaments having a diameter of 100 to 3000 μm through the die. The prepared PAR / PET monofilaments were dried in an oven at 100 DEG C for 14 hours. Antioxidants were added to prevent the rapid oxidation of the polymer at all stages of the process.

1.2 PAR/1.2 PAR / Nylon6Nylon6 고분자의 제조 Manufacture of Polymers

상기 실시예 1.1에서 PET 대신 Nylon6를 사용하여 동일한 제조과정을 수행하였다. 이때 Nylon6 chip은 효성의 1011 BRT를 사용하였다. 제조과정을 수행하는 중 고분자의 급격한 산화를 방지하기 위하여 산화방지제를 첨가하였다.The same manufacturing process was performed using Nylon 6 instead of PET in Example 1.1. At this time, Hyosung's 1011 BRT was used for Nylon6 chip. An antioxidant was added to prevent the rapid oxidation of the polymer during the production process.

1.3 PAR/PBT 고분자의 제조1.3 Preparation of PAR / PBT Polymer

상기 실시예 1.1에서 PET 대신 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate; PBT)를 사용하여 동일한 제조과정을 수행하였다. 이때 PBT chip은 Celanese 사의 CELANEX를 사용하였다. 제조과정을 수행하는 중 고분자의 급격한 산화를 방지하기 위하여 산화방지제를 첨가하였다. In Example 1.1, the same manufacturing process was performed using polybutylene terephthalate (PBT) instead of PET. The PBT chip was Celanese CELANEX. An antioxidant was added to prevent the rapid oxidation of the polymer during the production process.

1.4 PAR/PEN 고분자의 제조1.4 Preparation of PAR / PEN Polymer

상기 실시예 1.1에서 PET 대신 폴리에틸렌나프탈레이트 (Polyethylene naphthalate; PEN)를 사용하여 동일한 제조과정을 수행하였다. 이때 PEN chip은 효성의 PEN Chip Fiber Grade를 사용하였다. 제조과정을 수행하는 중 고분자의 급격한 산화를 방지하기 위하여 산화방지제를 첨가하였다.In Example 1.1, the same manufacturing process was performed using polyethylene naphthalate (PEN) instead of PET. At this time, the PEN chip was Hyosung's PEN Chip Fiber Grade. An antioxidant was added to prevent the rapid oxidation of the polymer during the production process.

1.5 PAR/PFN 고분자의 제조1.5 Preparation of PAR / PFN Polymer

상기 실시예 1.1과 동일한 과정을 거쳐 PAR/PFN 고분자를 제조하되, 산화방지제를 첨가하지 않았다.The PAR / PFN polymer was prepared in the same manner as in Example 1.1, but no antioxidant was added.

<실시예 2> 고분자의 3D 프린팅&Lt; Example 2 > 3D printing of a polymer

상기 실시예 1.1 내지 1.5에 따라 제조된 모노필라멘트 형태의 고분자를 3D 프린터기의 스풀에 넣고, 240 내지 320℃에서 프린팅하였다. 이때 프린팅 속도는 1mm/초 내지 200mm/초의 범위로 하였고, 프린팅된 고분자는 가로 40mm, 세로 100mm 및 두께 0.9mm가 되도록 프린팅하였다. 이후 3D 프린팅 특성 상 발생할 수 있는 표면의 층을 제거하기 위하여 용액을 표면에 도포하는 표면 처리 과정을 추가로 수행하였다.The monofilament type polymer prepared according to Examples 1.1 to 1.5 was placed in a spool of a 3D printer and was printed at 240 to 320 ° C. At this time, the printing speed was in the range of 1 mm / sec to 200 mm / sec, and the printed polymer was printed so as to have a width of 40 mm, a length of 100 mm and a thickness of 0.9 mm. Thereafter, a surface treatment process of applying a solution to the surface was performed in order to remove the surface layer which may occur due to the 3D printing characteristic.

프린팅된 고분자는 급격히 고화되어 고체상을 형성하게 되는데 이때 PAR은 섬유상 고체로 유지되거나 약간 용융된 후 고체화 되어 섬유상 보강재(reinforcement)로 존재하게 되어 자기강화형 복합재료를 형성한다. 반면 PET, Nylon6, PBT 및 PEN은 용융 프린팅된 후 고화되면서 융착하여 최종 생성된 고분자의 기지재(matrix)를 이루게 된다. The printed polymer rapidly solidifies to form a solid phase, which is either retained as a fibrous solid or solidified after being slightly melted and present as a fibrous reinforcement to form a self-reinforcing composite material. On the other hand, PET, Nylon 6, PBT and PEN are melted and printed, then solidified and fused to form a matrix of the finally produced polymer.

상기와 같은 과정을 거쳐 제조된 고분자는 아래 실시예 3에 따라 물리적 특성 및 열적 특성이 평가되었다.The physical properties and thermal properties of the polymer prepared through the above process were evaluated according to Example 3 below.

<실시예 3> 고분자의 물성 측정Example 3 Measurement of Physical Properties of Polymers

상기 실시예 1에 따라 제조되고 실시예 2에 따라 3D 프린팅된 고분자의 물성을 아래와 같은 방법으로 측정하였고 그 결과는 아래 표 1과 같다.The physical properties of the polymer prepared according to Example 1 and 3D-printed according to Example 2 were measured by the following methods, and the results are shown in Table 1 below.

3.1 인장강도, 신도 및 탄성률 측정3.1 Measurement of tensile strength, elongation and elastic modulus

인장강도, 신도 및 탄성률은 ASTM D638규격으로 실시하였으며, Instron 4467을 사용하여 30kN의 로드셀(load cell), 20mm/분의 크로스 헤드 스피드(cross-head speed)로 정속 인장식 시험 방법으로 한 클램프는 고정되어 있고 다른 클램프는 시험 전반에 걸쳐 일정 속도로 이동하며, 수직 방향으로 편향 없이 측정하였다. 시험편이 파단될 때까지 규정된 조건 하에서 인장시켜 시험편에 가해진 인장강도, 신도 및 탄성률을 측정하였다.The tensile strength, elongation and elastic modulus were measured according to ASTM D638 standard. A clamp of 30 kN load cell and 20 mm / min cross-head speed with constant speed tensile test method using Instron 4467 The other clamps were stationary and moved at a constant speed throughout the test and were measured in the vertical direction without deflection. Tensile strength, elongation and modulus of elasticity of the specimens were measured by pulling under the specified conditions until the specimens were broken.

3.2 유리전이온도 및 융점 측정3.2 Glass transition temperature and melting point measurement

유리전이온도(Tg) 및 융점(Tm)은 시차주사열량분석기(Differential Scanning Calorimeter; DSC)를 사용하여 질소 분위기에서 10℃/분의 승온 속도로 시료와 불활성 기준물질에 동일한 온도프로그램을 가하여 시료로부터 발생되는 열유속 차이를 측정하여 흡열성 거동의 유리전이온도와 융점을 측정하였다. 측정 결과는 아래 표 1과 같다.The glass transition temperature (Tg) and melting point (Tm) were measured using a differential scanning calorimeter (DSC) at a rate of 10 ° C / min in a nitrogen atmosphere, The glass transition temperature and melting point of the endothermic behavior were measured by measuring the difference in heat flux generated. The measurement results are shown in Table 1 below.

Figure 112015096658789-pat00001
Figure 112015096658789-pat00001

상기 표 1에서 확인할 수 있듯이 산화방지제를 첨가하여 제조한 PAR을 포함하는 고분자는 산화방지제를 첨가하지 않은 고분자보다 강도, 탄성률, 신율이 우수하였다. 또한 대체적으로 고분자 내 PAR의 함량이 증가할수록 강도와 탄성률이 우수하였다. 유리전이온도는 기지재(matrix)인 PET, Nylon6, PBT 및 PEN에 따라 다르게 나타났고, 융점은 PAR의 융점을 측정한 것으로 기지재와 상관 없이 유사한 경향을 나타내었다.  As shown in Table 1, the PAR-containing polymer prepared by adding the antioxidant had higher strength, elastic modulus, and elongation than the polymer without addition of the antioxidant. Also, as the content of PAR in polymer increased, strength and modulus of elasticity increased. The glass transition temperature was different according to matrix, PET, Nylon6, PBT and PEN. Melting point was measured by melting point of PAR and showed similar tendency regardless of substrate.

즉, 본 발명에 따라 적절한 조건에서 PAR과 기지재가 혼합된 고분자를 제조함으로서 3D 프린팅에 적용 가능한 강도, 탄성률, 인장신률이 우수한 고분자를 제조할 수 있고, 본 발명에 따라 제조된 고분자를 적절한 조건에서 3D 프린팅하여 우수한 물리적 특성을 갖는 3D 프린팅된 물품을 얻을 수 있음을 확인하였다.That is, according to the present invention, a polymer having excellent strength, elastic modulus, and tensile elongation applicable to 3D printing can be prepared by preparing a polymer mixed with PAR and a matrix under appropriate conditions, and the polymer prepared according to the present invention can be produced under appropriate conditions It is confirmed that 3D printing can obtain 3D printed articles having excellent physical characteristics.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (11)

하기 단계를 포함하여 인장강도 280-335(MPa), 인장탄성률 15-17(Gpa), 인장신율 3-9(%)를 가지는 3D 프린팅용 고분자의 제조방법:
a) 폴리아릴레이트(polyarylate; PAR)를 고전단 압출기로 사용하여 250-350℃에서 1000-4000rpm의 스크류 회전속도로 압출하는 단계;
b) 상기 a) 단계의 압출된 폴리아릴레이트를 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate; PET)와 3:7-7:3의 함량으로 혼합하는 단계;
c) 상기 b) 단계의 혼합물을 50-500rpm의 스크류 회전속도로 250-350℃에서 압출하여 모노필라멘트(monofilament)를 제조하는 단계; 및
d) 상기 모노 필라멘트를 90-110℃에서 12-16시간동안 건조하는 단계.
A process for producing a polymer for 3D printing having a tensile strength of 280-335 (MPa), a tensile elastic modulus of 15-17 (Gpa) and a tensile elongation of 3-9 (%),
a) extruding polyarylate (PAR) at 250-350 占 폚 at a screw rotation speed of 1000-4000 rpm using a high shear extruder;
b) mixing the extruded polyarylate of step a) with polyethyleneterephthalate (PET) in an amount of 3: 7-7: 3;
c) extruding the mixture of step b) at 250-350 ° C at a screw rotation speed of 50-500 rpm to produce a monofilament; And
d) drying the monofilament at 90-110 &lt; 0 &gt; C for 12-16 hours.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 b) 단계의 PET 대신 나일론-6(Nylon-6), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate; PBT) 및 폴리에틸렌나프탈레이트(polyehtylene naphthalate; PEN)으로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 PAR과 혼합하는 제조방법.[6] The method of claim 1, wherein the PET of step b) is one selected from the group consisting of nylon-6, polybutylene terephthalate (PBT), and polyethylene naphthalate (PEN) Is mixed with PAR. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 a) 내지 c) 단계 중 어느 하나 이상의 단계에서 산화방지제를 첨가하는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the antioxidant is added in any one of steps a) to c). 제1항, 제4항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 고분자.9. A polymer produced by the production method according to any one of claims 1, 4 and 8. 제9항에 따른 고분자를 이용하여 3D 프린팅하는 방법.A method for 3D printing using the polymer according to claim 9. 제10항에 있어서, 상기 3D 프린팅은 230-350℃에서 1-200mm/sec의 프린팅 속도로 이루어지는 방법.The method of claim 10, wherein the 3D printing is performed at a printing speed of 1-200 mm / sec at 230-350 캜.
KR1020150140267A 2015-10-06 2015-10-06 Polymer for 3D printing and printing method by use of it KR101715865B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150140267A KR101715865B1 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Polymer for 3D printing and printing method by use of it

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150140267A KR101715865B1 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Polymer for 3D printing and printing method by use of it

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101715865B1 true KR101715865B1 (en) 2017-03-13

Family

ID=58411730

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150140267A KR101715865B1 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Polymer for 3D printing and printing method by use of it

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101715865B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101939639B1 (en) 2017-12-21 2019-01-17 박성호 Three dimensional structure printing apparatus capable of printing carbon material
KR20200071830A (en) 2018-11-30 2020-06-22 박성호 Three-Dimensional Structure Output Device for High-Melting Super Engineering Plastics with Water-Cooled Nozzles

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04129704A (en) * 1990-09-20 1992-04-30 Dainippon Ink & Chem Inc Production of polyarylene sulfide resin pellet
JPH06106526A (en) * 1992-09-25 1994-04-19 Unitika Ltd Production of polyamide resin composition
JP2003285320A (en) * 2002-03-27 2003-10-07 Unitika Ltd Manufacturing method for polyarylate resin pellet
JP2007196516A (en) * 2006-01-26 2007-08-09 Unitika Ltd Manufacturing method of polyarylate resin composition
KR20130086939A (en) 2010-05-07 2013-08-05 니혼바이린 가부시기가이샤 Electrically charged filter and mask

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04129704A (en) * 1990-09-20 1992-04-30 Dainippon Ink & Chem Inc Production of polyarylene sulfide resin pellet
JPH06106526A (en) * 1992-09-25 1994-04-19 Unitika Ltd Production of polyamide resin composition
JP2003285320A (en) * 2002-03-27 2003-10-07 Unitika Ltd Manufacturing method for polyarylate resin pellet
JP2007196516A (en) * 2006-01-26 2007-08-09 Unitika Ltd Manufacturing method of polyarylate resin composition
KR20130086939A (en) 2010-05-07 2013-08-05 니혼바이린 가부시기가이샤 Electrically charged filter and mask

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101939639B1 (en) 2017-12-21 2019-01-17 박성호 Three dimensional structure printing apparatus capable of printing carbon material
KR20200071830A (en) 2018-11-30 2020-06-22 박성호 Three-Dimensional Structure Output Device for High-Melting Super Engineering Plastics with Water-Cooled Nozzles

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bettini et al. Fused deposition technique for continuous fiber reinforced thermoplastic
Dickson et al. Fabrication of continuous carbon, glass and Kevlar fibre reinforced polymer composites using additive manufacturing
Yang et al. 3D printing for continuous fiber reinforced thermoplastic composites: mechanism and performance
Zhang et al. Effects of raster angle on the mechanical properties of PLA and Al/PLA composite part produced by fused deposition modeling
Isobe et al. Comparison of strength of 3D printing objects using short fiber and continuous long fiber
Ding et al. Anisotropy of poly (lactic acid)/carbon fiber composites prepared by fused deposition modeling
Zhao et al. Mechanical and tribological properties of short glass fiber and short carbon fiber reinforced polyethersulfone composites: A comparative study
TW202022002A (en) Crosslinkable aromatic polymer compositions for use in additive manufacturing processes and methods for forming the same
Tran et al. Tensile strength enhancement of fused filament fabrication printed parts: a review of process improvement approaches and respective impact
Ranjbarzadeh-Dibazar et al. Lubricant facilitated thermo-mechanical stretching of PTFE and morphology of the resulting membranes
WO2015120429A1 (en) Three-dimensional (3d) printed composite structure and 3d printable composite ink formulation
US20160303779A1 (en) Low shear process for producing polymer composite fibers
Arai et al. Effects of short-glass-fiber content on material and part properties of poly (butylene terephthalate) processed by selective laser sintering
Kumar et al. Mechanical characterization of 3D printed MWCNTs/HDPE nanocomposites
US20150073088A1 (en) Composite of filler and polymer resin and method for preparing the same
Dave et al. Open hole tensile testing of 3D printed parts using in-house fabricated PLA filament
KR101715865B1 (en) Polymer for 3D printing and printing method by use of it
Wang et al. Morphology evolutions and mechanical properties of in situ fibrillar polylactic acid/thermoplastic polyurethane blends fabricated by fused deposition modeling
Mao et al. Insert injection molding of high‐density polyethylene single‐polymer composites
Tran et al. Enhanced tensile strength of acrylonitrile butadiene styrene composite specimens fabricated by overheat fused filament fabrication printing
Wang et al. Functionally graded polyetheretherketone-based composites additively manufactured by material extrusion using a transition interface design method
Li et al. A review of the mechanical properties of additively manufactured fiber reinforced composites
US3642976A (en) Solid phase hydrostatic extrusion of a filled thermoplastic billet to produce orientation
Jimbo et al. Shape contraction in sintering of 3D objects fabricated via metal material extrusion in additive manufacturing
JP2016188290A (en) Composite molded article and production method of the same

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200309

Year of fee payment: 4