KR101762802B1

KR101762802B1 - 3d프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법

Info

Publication number: KR101762802B1
Application number: KR1020160018579A
Authority: KR
Inventors: 이학선
Original assignee: 경남대학교 산학협력단
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2017-07-28

Abstract

본 발명은 3D프린터를 이용해 출력물을 제조한 후 이를 보강하여 조형물을 제작함으로써, 조형물의 제작시 시행착오를 거치지 않고 보다 효율적인 제작이 가능하도록 한 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법에 관한 것으로서, 제작되어야 할 조형물에 대한 삼차원 이미지를 생성하여 3D프린터를 통해 프린팅하여 출력물을 제조하는 제1단계와, 상기 출력물의 상면에 폴리퍼티를 도포하여 표면을 퍼티샌딩하는 제2단계와, 상기 폴리퍼티가 도포된 출력물의 상면에 서페이스매트를 적층하여 보강하는 제3단계 및, 상기 서페이스매트의 상면을 도색하는 제4단계로 이루어지는 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법을 통해 기술적 과제를 해결할 수 있다.

Description

3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법{METHOD OF MANUFACTURING SCULPTURE USING THE PRODUCTS OF 3D-PRINTER}

본 발명은 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3D프린터를 이용해 출력물을 제조한 후 이를 보강하여 조형물을 제작함으로써, 조형물의 제작시 시행착오를 거치지 않고 보다 효율적인 제작이 가능하도록 한 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법에 관한 것이다.

종래에는 조형물을 제작하는데 있어, 제작 도면이 없는 경우 제작자의 육안이나 감각에 의존하여 제작할 수밖에 없었다. 이러한 방법은 오로지 제작자의 육감에만 의존해야하는 관계로 정확한 형상의 제작이 어렵거나 또는 불가능 하다는 문제점이 있다.

또한, 조형물은 합성수지 등의 수지로 만들어지거나 또는 대리석 등을 조각하여 만들어지고 있다. 이러한 인공조형물 중 합성수지를 이용하여 만들어진 조형물의 경우 시간이 경과하면 빛에 의해 변질되어 쉽게 부서지는 단점이 있고, 대리석으로 만들어진 조형물의 경우 고가의 대리석을 이용함으로서 자재비가 많이 소요될 뿐만 아니라 가공에 많은 시간이 소요되어 가격이 너무 비싸지는 문제가 있었다.

이러한 단점을 줄이기 위해 일반 FRP로 성형한 몰드를 이용한 인공조형물 제작 방법은 주 몰드와 보조 몰드로 구성된 몰드로 만들어지고, 주 몰드의 경우 내면에 인공조형물의 형상이 형성되어 조형 재료가 채워져 인공조형물을 성형하는 역할을 하고, 보조 몰드는 주 몰드의 강도를 보강하기 위한 수단으로 사용되나 특히, 인공조형물이 보여지는 면에서 역 경사가 질 경우 즉, 깊이 파인 부분에 설치되어 주 몰드를 지지하는 역할을 한다.

이때 인공조형물의 깊이 파인 부분의 주 몰드와 보조 몰드 사이에는 흙 등을 채워 주 몰드와 보조 몰드 사이의 공간을 메운 후, 주 몰드의 내부에 조형 재료인 합성수지 등을 채워 인공조형물을 제작한다.

또한, 조형물의 제작을 위해서는 여러 번의 시행착오를 거쳐야 함에 따라 생산비용이 상승한다는 문제점을 안고 있다.

이에 도면이 없는 조형물의 임의 형상을 제작한 후, 3차원 입체 스캐닝 작업을 통해 골조를 형성하여 대형 조형물을 제작하는 방법이 개발되었다.

예를 들면, 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0071252호에 "입체 스캐닝 기법에 의한 대형 조형물 제작방법"이 개시되어 있다.

이는 임의 형상을 3차원 입체 스캐닝작업을 하고, 스캔 데이터를 특정 프로그램을 통해 편집하여 등고선을 추출하여 추출된 등고선을 일정한 경도차 간격으로 도출하여 이를 와이어로 성형한 후, 와이어를 중첩시켜 용접함으로서, 조형물의 골조를 제작하도록 하는 입체 스캐닝 기법에 의한 대형 조형물 제작방법에 관한 것이다.

그러나 이 기술의 경우 스캐닝 작업을 통해 등고선 추출하고 추출된 등고선을 통해 대형 조형물의 골조를 제작하는 기술로써, 이는 단순히 대형 조형물의 골조를 제작하는데 국한된 기술이다. 즉, 대형 조형물의 골조를 제작하는데 그치지 않고 제작된 골조를 바탕으로 대형 조형물을 완성할 수 있는 대형 조형물 제작방법이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.

첫째, 3D프린터에 의한 출력물을 이용하여 보강된 조형물을 제작함에 작업 시간을 단축시키면서도 효율적인 조형물을 제공하는데 그 목적이 있다.

둘째, 조형물을 제작함에 3차원프린터에 의해 출력물을 이용하여 모델과 몰드를 제작하여 동일형태의 연속적인 조형물을 생산할 수 있는 조형물용 몰드를 제작함과 아울러 초기 설비비용을 절감하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 제작되어야 할 조형물에 대한 삼차원 이미지를 생성하여 3D프린터를 통해 프린팅하여 상면에 음각 조형상이 형성되는 출력물을 제조하는 제1단계와, 상기 출력물의 음각 조형상 내부면과 출력물 외부면에 보강매트를 1개 또는 복수 층으로 적층하는 제2단계와, 상기 음각 조형상에 적층된 보강매트 상면에 폴리퍼티를 도포하여 표면을 퍼티샌딩하는 제3단계와, 상기 퍼티샌딩된 음각 조형상의 내부면에 하도층 도료를 도포하여 건조 후 연마하는 제4단계 및, 상기 연마된 하도층 도료가 도포된 상면에 상도층 도료를 도포하여 건조 후 연마하는 제5단계로 이루어진 마스터몰드 제작하는 단계와,

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상기 마스터몰드의 음각 조형상 표면에 이형제를 도포하여 건조시킨 후 그 상면에 복합재료를 적층하여 경화시킨 후 마스터몰드로부터 탈형 후 조형물을 제작하는 단계로 이루어지되,
상기 제2 단계에서, 상기 보강매트(300)는 연속배향인 직조된 유리강화 섬유를 보강한 적층매트 20 ~ 45 중량%와, 상기 직조된 유리강화 섬유를 보강한 적층매트에 함침되는 열가소성 수지 조성물 55 ~ 80중량%로 조성된 보강매트이고,
상기 제4단계에서, 상기 하도층 도료는 폴리에스테르 수지 53~67 중량%, 멜라민 수지 3~7 중량%, 아크릴계 수지 1~2 중량%, 술폰산 1~2 중량%, 글래스 울 1~2 중량%, 케톤류 용제 25~35 중량% 및 잔부의 물을 포함하여 하도층 도료 조성물을 형성하여 출력물의 표면에 도포하여 경화 후 연마하게 되며,
상기 제5단계에서, 상기 상도층 도료는 폴리에스테르 수지 44~58 중량%, 멜라민 수지 2~6 중량%, 아크릴계 수지 0.1~1 중량%, 아민계 화합물 0.1~1.0 중량%, 글래스 울 0.1~1.0 중량%, 케톤류 용제 20~30 중량% 및 잔부의 물을 포함하는 상도층 도료 조성물을 형성하여 하도층 도료가 도포된 상면에 도포하여 경화 후 연마하게 되는 것을 특징으로 하는 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법을 제공한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 3D프린터 출력물을 이용하여 조형물을 제작하는 방법의 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.

첫째, 조형물을 제작하기 위해 3D프린터 출력물을 직접 사용하기 때문에 작업 시간을 크게 단축시키고, 출력물을 보강하는 공정을 추가하여 견고한 조형물을 제작할 수 있다는 장점이 있다.

둘째, 3D프린터의 출력물을 직접 이용하여 보강작업을 통해 동일형태의 연속적인 다수의 조형물을 제조할 수 있는 성형몰드를 제작함으로서 초기 재료 및 설비 투자 비용을 크게 절감될 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법에 의해 제작된 조형물(a)과 단면도(b).
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법에서 보강매트가 적층된 조형물의 단면도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법에 의해 제작되는 출력물(a), 마스터모델(b), 마스터몰드(c) 및 조형물(d) 구조도.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법에 의해 제작되는 마스터몰드(a), 조형물(b) 및 마스터몰드내 조형물형상 단면도(c).
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법의 공정블록도.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법의 공정블록도.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법의 공정블록도.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 조령물의 제작은 3D프린터를 통해 제조되는 출력물을 직접 조형물의 기본 골격으로 사용하여 조형물을 제품화하는 것으로 다음과 같이 그 제작방법을 서술한다.

본 발명은 도 1과 도 5에 나타낸 바와 같이 제작되어야 할 조형물에 대한 삼차원 이미지를 생성하여 3D프린터를 통해 프린팅하여 출력물(100)을 제조하는 제1단계(S1-100)와, 상기 출력물(100)의 상면에 폴리퍼티를 도포하여 표면을 퍼티샌딩하는 제2단계(S1-200)와, 상기 폴리퍼티가 도포된 출력물의 상면에 서페이스매트(200)를 적층하여 보강하는 제3단계(S1-300) 및, 상기 서페이스매트(200)의 상면을 도색하여 조형물(10)을 제작하는 제4단계(S1-400)로 이루어지는 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법을 제공한다.

본 발명의 제1실시예에 의한 3D프린터를 통해 출력물(100)을 제작함에 있어 먼저, 3차원 모델링을 이용한 실제 조형물의 크기와 대응되는 좌표값을 추출하여 3차원 이미지로 입체화된 모형을 3D 프로그램을 통해 실제 조형물 크기와 대응되는 수치적인 좌표값을 추출하는 단계이다. 즉, 상기 3차원으로 입체화된 모형을 실제 조형물의 크기 형상으로 확대하는 것을 의미한다.

이를 위해 수치적인 좌표값을 추출하기 위해 채택된 상기 3D 프로그램은 상기 3D 입체 스캔장치를 통해 3차원으로 입체화된 모형을 기계적으로 3차원 좌표값을 추출할 수 있는 솔리드웍스(solidworks), 3D 캐드, 유지, 라이노(Rhino), 또는 카티아(Catia) 등의 프로그램을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 추출된 좌표값을 바탕으로 입체화된 모형의 일정한 경도차 간격을 두께로 가지는 단면데이터를 추출하게 된다.

그리고, 상기 3차원 모델링을 통해 출력물을 제어하는 3D프린터 방식에는 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(Stereo Lithograhhic Apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하며 레이저 광선을 주사하여 고결(固結)시켜 성형물하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering)와, 접착제가 칠해져 있는 종이를 원하는 단면으로 레이져 광선을 이용하여 절단하여 한 층씩 적층하여 성형물하는 LOM(Laminated Object Manufacturing)과, 잉크젯(Ink-Jet) 프린터 기술을 이용한 BPM(Ballistic Particle Manufacturing) 등이 있으며, 제작하고자 하는 조형물의 크기, 형상, 성질에 따라 상술한 3D프린터 종류를 선택하여 사용할 수 있다.

이러한, 3D프린터를 통해 조형물의 실제 3차원 이미지로 변환된 데이터를 통해 조형물의 기본 골격이 되는 출력물(100)을 제조하는 단계를 거치게 된다.

상기 3D프린터에 의해 제조된 출력물(100)을 보강하기 위해 상기 출력물(100)의 상면에 폴리퍼티를 도포하여 표면을 퍼티샌딩하는 단계를 수행하게 되며, 이때 상기 폴리퍼티는 이산화티탄이 포함된 광촉매퍼티(Light Cunning Putty) 또는 상기 광촉매퍼티와 우레탄바니쉬가 1:1의 중량비로 혼합된 것을 사용할 수 있으며, 또한 폴리퍼티(Poly Putty)는 표면경화 촉진 및 이를 통한 표면 균열을 방지하기 위해 사용되는데, 이러한 폴리퍼티는 보통 폴리에스테르 수지에 경화제나 수지분말을 첨가하여 사용하기 적합한 점도와 경도를 갖게 만든 것을 사용할 수 있다.

그리고, 상기 폴리퍼티가 도포된 출력물의 상면에 서페이스매트(200)를 적층하여 보강하는 단계를 수행하며, 상기 서페이스매트(200)는 유리섬유 10%, 수지의 함유량 90%의 수지층을 형성하여 출력물의 내식성 향상 및 표면 마감을 위해 사용된다. 상기 유리섬유는 절단되지 않은 유리섬유를 바인더로 결합시켜 0.2∼0.3mm의 두께로 만들어 종래 부직포의 형상 및 구조와 유사한 시트상 유리섬유이다.

이렇게 상기 서페이스매트(200)를 적층하여 건조한 후 조형물(10)을 제작하게 된다.

또한, 도 2와 도 5에 나타낸 바와 같이 상기 제1단계(S1-100) 후 출력물(100)의 하면에 보강매트(300)를 1개 또는 복수 층으로 적층하는 단계(S1-110)를 더 포함하는 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법을 제공한다.

상기 보강매트(300)는 출력물(100)의 하면에 1개 층 또는 복수 층으로 적충되어 출력물을 보강하게 되며, 이때 적층시 보강매트(300) 내에 함침된 수지에 의해 출력물(100) 하면에 부착되어 수지경화 후 일체의 출력물을 제공한다.

상기 보강매트(300)는 연속배향(連續配向)인 직조된 유리강화 섬유를 보강한 적층매트 20 ~ 45 중량%와, 상기 직조된 유리강화 섬유를 보강한 적층매트에 함침되는 열가소성 수지 조성물 55 ~ 80중량%로 조성된 보강매트로서, 상기 연속배향인 직조된 유리강화 섬유 매트는, 30~100mm의 크기로 잘려진 유리강화섬유로 이루어진 다수의 층과, 연속배향 유리강화 섬유로 이루어진 적어도 하나의 층이 혼합 적층된 상태에서 니들펀칭되어 이루어진 적층매트에 열가소성 수지 조성물이 함침되어 일체의 보강매트(300)를 사용하게 된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예인 제2실시예는 3D프린터를 통해 제조된 출력물(100)을 마스터모델(20)로 제작하여 상기 마스터모델(20)을 통해 조형물(10)을 제작하는 마스터몰드(30)를 제작한 후 이 마스터몰드(30)를 통해 다수 개의 조형물(10)을 제작하면서 상기 마스터몰드(30)의 노후 또는 교체시 상기 마스터모델(20)을 통해 재차 마스터몰드(30)를 제작하여 조형물(10)을 제작하는 것으로, 상기 1개의 마스터모델(20)을 제작하여 다수 개의 마스터몰드(30)를 성형하여 반복적인 조형물(10) 작업을 제작하도록 하는 것으로 도 3과 도 6을 토대로 하기에 상세히 설명한다.

먼저, 조형물의 3차원 이미지를 통해 표준이 되는 실제형태의 마스터모델(20)을 제작한 후 상기 마스터모델(20)을 통해 음각의 조형상(31) 즉, 조형물(10)의 음각형태가 새겨진 형상으로 마스터몰드(30)를 제작하여 이 마스터몰드(30)를 통해 조형물(10)을 제작하게 된다.

이에, 상기 마스터모델(20)을 제작하는 방법을 다음과 같이 서술한다.

제작되어야 할 조형물에 대한 삼차원 이미지를 생성하여 3D프린터를 통해 프린팅하여 출력물(100)을 제조하는 제1단계(S2-100)와, 상기 출력물(100)의 하면에 보강매트(300)를 1개 또는 복수 층으로 적층하는 제2단계(S2-200)와, 상기 출력물(100)의 상면에 폴리퍼티를 도포하여 표면을 퍼티샌딩하는 제3단계(S2-300)와, 상기 퍼티샌딩된 출력물(100)의 상면에 하도층 도료를 도포하여 건조 후 연마하는 제4단계(S2-400) 및, 상기 연마된 하도층 도료가 도포된 상면에 상도층 도료를 도포하여 건조 후 연마하는 제5단계(S2-500)로 이루어진다.

상기 마스터모델(20)의 제작하는 제1단계는 상술한 조형물 제작의 제1단계(S1-100)와 동일한 방법으로 출력물을 제작하게 되며, 상기 출력물의 하면에 보강매트를 적층하는 제2단계(S2-200)는 상술한 연속배향(連續配向)인 직조된 유리강화 섬유를 보강한 적층매트와 상기 적층매트에 함침되는 열가소성 수지 조성물로 이루어진 일체의 보강매트(300)를 동일구조 및 방법으로 사용하며, 상기 출력물(100)의 상면에 표면의 면작업인 평활도와 평탄성을 형성하기 위해 작업으로 상술한 폴리퍼티를 도포하여 퍼티샌딩하는 작업을 하는 제3단계(S2-300)이며, 상기 퍼티샌딩된 출력물의 상면에 하도층 도료를 도포하여 연마하는 제4단계(S2-400)는 출력물(100)의 변형과 균열을 방지하도록 보강하는 작업공정으로 하도층 도료를 도포하여 표면을 연마하게 되는 데, 이때 표면 연마를 기계 또는 수작업으로 연마할 때의 상기 하도층 도료는 폴리에스테르 수지 53~67 중량%, 멜라민 수지 3~7 중량%, 아크릴계 수지 1~2 중량%, 술폰산 1~2 중량%, 글래스 울(glass wool) 1~2 중량%, 케톤류 용제 25~35 중량% 및 잔부의 물을 포함하여 하도층 도료 조성물을 형성하여 출력물의 표면에 도포하여 경화 후 연마하게 된다.

이렇게 하도층 도료를 도포 후 표면 연마를 거친 제4단계(S2-400) 후 상기 하도층 도료가 도포된 상면에 상도층 도료를 도포하여 경화 후 연마하는 제5단계(S2-500)는 출력물의 변형과 균열을 방지할 뿐만 아니라 표면의 취성을 강화하도록 보강하는 작업공정으로 상기 상도층 도료는 폴리에스테르 수지 44~58 중량%, 멜라민 수지 2~6 중량%, 아크릴계 수지 0.1~1 중량%, 아민계 화합물 0.1~1.0 중량%, 글래스 울(glass wool) 0.1~1.0 중량%, 케톤류 용제 20~30 중량% 및 잔부의 물을 포함하는 상도층 도료조성물을 형성하여 하도층 도료가 도포된 상면에 도포하여 경화 후 연마하게 된다.

또한, 상기 상/하도층 도료조성물은 도포한 후 경화과정을 거쳐 연마를 하게 되지만, 진공증착을 통해 표면 연마없이 상/하도층 도료를 증착하여 마스터모델을 제작하게 된다.

이러한 진공증착에 사용되는 상기 하도층 도료조성물은 우레탄 아크릴레이트 올리고머 10∼20 중량%, 에폭시 아크릴레이트 올리고머 5∼10 중량%, 아크릴릭 단량체 20∼30 중량%, 메톡시멜라민 수지 1~4 중량%, 아세테이트 용매 10∼20 중량%, 탄화수소 용매 10∼20 중량%, 에테르 용매 5∼10 중량% 및 지르코니아 분말 0.1∼1.5 중량%를 포함하며, 상기 상도층 도료조성물은 우레탄 아크릴레이트 올리고머 20∼30 중량%, 아크릴릭 단량체 15∼25 중량%, 아크릴 수지 10∼15 중량%, 메톡시멜라민 수지 2~4 중량%, 아세테이트 용매 30∼40 중량%, 알코올 용매 5∼10 중량% 및 지르코니아 분말 0.5∼1.5 중량%를 포함하게 된다.

그리고, 상기 마스터모델(20)을 제작 후 마스터몰드(30)를 제작하는 방법은 다음과 같다.

상기 마스터모델(30)의 상면에 이형제를 도포하여 건조시킨 후 그 상면에 겔코트를 도포하여 경화시킨 후 경화성형물을 소정의 두께로 도포하여 경화 후 마스터모델(20)로부터 탈형하는 단계(S2-600) 후 내측에 음각 조형상(31)이 형성된 마스터몰드(30)를 제작하게 된다.

상기 경화조성물은 열경화성 수지조성물과 유리섬유가 혼합되는 것으로서, 상기 열결화성 수지조성물은 불포화 폴리에스테르 수지 100 중량%에 대하여, 저수축제 30~40 중량%, 이형제 5~8 중량%, 충진제 130~140 중량%, 점도상승제 2~8 중량% 및 경화제 1~2 중량% 등을 포함하며, 전체 조성물 중량에 대하여, 상기 열경화성 수지조성물 60~70중량% 및 유리섬유 30~40중량%인 것이 바람직하다.

상기 불포화 폴리에스테르 수지는 열경화성 수지로서 무수 말레인산과 푸마르산 등과 같은 불포화 디카르본산(dicarboxylic acid)과 2가 알코올 등을 반응시켜 제조하며, 상기 저수축제는 일정 온도에서 성형 후 냉각과정에서 수축하는 마스터몰드의 수축률을 억제하여, 마스터모델이 성형 대응되어 음각 조형상이 형성되는 마스터몰드와의 수축률 차이에 의해 발생할 수 있는 분리 현상을 방지하여 상기 마스터모델과 마스터몰드의 접착력을 향상시키는 역할을 하며, 당업계에 공지된 어떠한 것도 이용될 수 있으나, 폴리에틸렌, 폴리비닐아세테이트, 폴리부타디엔 및 폴리우레탄으로 이루어진 군에서 선택되는 2종 이상인 것이 바람직하며, 상기 선택되는 2종 이상의 저수축제는 본 발명의 저수축제 이외의 다른 구성성분과 혼합되기 전 화학적 결합을 하는 것이 바람직하다.

상기 이형제는 마스터모델(20)의 형상과 대응되는 음각 조형상(31)이 형성되는 마스터몰드(30)를 제조할 때, 상기 마스터모델(20)과 마스터몰드(30)가 서로 접착되는 것을 방지하는 역할을 하며, 계면활성제와 유사한 구조를 가지는 것으로 상기 이형제 분자의 한 쪽은 열경화성 수지와 친밀한 구조이며, 다른 한 쪽은 마스터모델(20)의 상도층 도료와 반발하는 구조를 갖는다. 따라서 상기 이형제가 포함된 조성물은 마스터모델(20)의 상도층 도료 이온과 반발하기 때문에 마스터모델(20)에 접착되는 것을 방지하는 역할을 한다.

이때, 상기 마스터모델(20)의 상면에 이형제와 겔코트를 도포하는 과정은 생략할 수 있다.

상기 충진제는 조성물의 강도를 향상하고 성형물의 수축률 억제하는 역할을 한다. 상기 충진제는 당업계에 공지된 어떠한 것도 이용될 수 있으나, 화학적 반응이 전혀 없는 비활성 미네랄 소재인 것이 바람직하며, 탄산칼슘, 수산화알루미늄 및 실리카로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 더욱 바람직하다.

상기 점도상승제는 열경화성 수지조성물의 점도를 상승시켜, 조성물의 여러 구성성분이 서로 분리되는 것을 방지하며, 액상 형태의 조성물을 고상 형태로 변화시켜, 압축 성형 전 조성물이 금형에 용이하게 충진되도록 하는 역할을 한다. 또한, 상기 점도상승제는 당업계에 공지된 어떠한 것도 이용될 수 있으나, 알카리 토금속의 산화물 또는 수산화물 등인 것이 바람직하다.

상기 경화제는 열경화성 수지조성물이 경화반응을 통해 경화될 수 있도록 하는 역할을 하며, 상기 경화제는 당업계에 공지된 어떠한 것도 이용될 수 있으나, 고분자 플라스틱 제조의 가교반응에 사용되는 과산화물인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 유리섬유는 가는 필라멘트 모양을 가진 긴 광물섬유를 말하는 것으로, 열경화성 수지 조성물의 기계적 성질을 강화하는 역할을 하며. 상기 유리섬유는 당업계에 공지된 어떠한 것도 이용될 수 있으나, 유리섬유 필라멘트 평균 지름이 약 10~15㎛인 E-Glass 유리섬유인 것이 바람직하다.

또한, 상기 유리섬유는 전체 조성물 중량에 대하여, 30~40중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 유리섬유가 30중량% 미만일 경우, 조성물은 충분한 구조강도를 확보하기 어려울 수 있으며, 반면 상기 유리섬유가 40중량% 초과일 경우, 마스터몰드(30) 성형 시 마스터모델(20)에 과도한 압력이 초래되어 마스터모델(20)로부터 박리 또는 변형되어 마스터모델(20)에 대응되는 음각 조형상(31)의 위치가 달라져 본래 위치에서 이탈될 수 있으며, 과도한 함량의 유리섬유로 인해 다른 성분의 함량이 줄어들어 부착성, 성형성 및 이형성 등이 저하될 수 있고, 마스터몰드(30)의 음각 조형상(31)에 문제가 발생할 수 있다.

이에, 상술한 과정을 통해 마스터몰드(30)를 제작하여 상기 마스터몰드(30)에 형성된 음각 조형상(31)에 복합재료를 적층하는 성형과정을 통해 탈형하는 단계(S2-700) 후 조형물(10)을 제작하게 된다.

상기 조형물(10) 성형시 사용되는 복합재료는 조형물(10)의 특징에 따라 다양한 복합재료를 사용할 수 있으며, 유리섬유, 탄소섬유 중 하나 또는 혼합되어 이루어지는 섬유재와, 에폭시수지, 페놀수지, 폴리에스터수지 중 하나를 택일하여 이루어지는 수지재를 혼합한 복합재료를 사용하게 된다.

상기 복합재료는 유리섬유, 탄소섬유 중 하나 또는 혼합하여 택일되어 이루어지는 섬유재와, 에폭시수지, 페놀수지, 폴리에스터수지 중 하나를 택일하여 이루어지는 수지재를 서로 배합하며. 이러한 복합재료는 약 42% 정도의 수지재를 가지고 있는 바, 이러한 복합재료가 수지재의 손실이 없는 상태로 경화되면, 부피비로 약 60%정도의 섬유재를 포함하게 된다. 그러나 부피로 약 10%의 수지재가 경화과정에서 배출되는데 일반적으로 복합재료의 섬유재의 함유량은 부피로 70% 가량 형성되고, 수지재가 배출되는 과정에서 복합재료의 내부에 남아있던 공기나 용제도 함께 배출하게 된다.

상기 복합재료가 적층된 마스터몰드(30)의 음각 조형상(31)에 적층된 복합재료의 성형은 진공백 오토클레이브 성형과, 상하형 몰드를 이용한 압축성형과, 핸드레이업 성형과, 수지충진 성형 중 어느 하나를 택일하여 경화시킨 후 마스터몰드(30)로부터 탈형하여 조형물(10)을 제작하게 된다.

또한, 본 발명의 또다른 실시예인 제3실시예로서, 3D프린터에 의해 제조된 출력물을 직접 사용하여 마스터몰드(30)로 제작하여 상기 마스터몰드(30)를 통해 조형물(10)을 제작하는 방법을 도 4와 도 7을 토대로 다음과 같이 서술한다.

먼저, 3D프린터에 의해 제조된 출력물(100)을 이용하여 마스터몰드(30)를 다음과 같이 제작하게 된다.

제작되어야 할 조형물에 대한 삼차원 이미지를 생성하여 3D프린터를 통해 프린팅하여 상면에 음각 조형상이 형성되는 출력물을 제조하는 제1단계(S3-100)와, 상기 출력물의 음각 조형상 내부면과 출력물 외부면에 보강매트를 1개 또는 복수 층으로 적층하는 제2단계(S3-200)와, 상기 음각 조형상(31)에 적층된 보강매트(300) 상면에 폴리퍼티를 도포하여 표면을 퍼티샌딩하는 제3단계(S3-300)와, 상기 퍼티샌딩된 음각 조형상의 내부면에 하도층 도료를 도포하여 건조 후 연마하는 제4단계(S3-400) 및, 상기 연마된 하도층 도료가 도포된 상면에 상도층 도료를 도포하여 건조 후 연마하는 제5단계(S3-500)로 이루어진다.

상기 3D프린터에 의해 제조되는 출력물(100)은 조형물(10)의 형상에 대응되는 음각 조형상(31)이 형성되도록 출력물(100)을 제조하게 된다.

상기 상면 내측에 음각 조형상(31)이 형성된 출력물(100)에 있어, 음각 조형상(31) 내부면과 출력물(100)의 외부면에 보강매트(300)를 1개 층 또는 복수 층으로 적층하여 경화시키게 되며, 이때 보강매트(300)는 상술한 연속배향(連續配向)인 직조된 유리강화 섬유를 보강한 적층매트와 상기 적층매트에 함침되는 열가소성 수지 조성물로 이루어진 일체의 보강매트(300)를 동일구조 및 방법으로 사용하며, 상기 음각 조형상(31)에 적층된 보강매트(300) 상면에 폴리퍼티를 도포하여 표면을 퍼티샌딩하는 제3단계(S3-300)와, 상기 퍼티샌딩된 음각 조형상의 내부면에 하도층 도료를 도포하여 건조 후 연마하는 제4단계(S3-400) 및, 상기 연마된 하도층 도료가 도포된 상면에 상도층 도료를 도포하여 건조 후 연마하는 제5단계(S3-500)는 상술한 동일한 공정, 방법 및 구성요소로 이루어진다.

이렇게 상기 출력물이 사용된 마스터몰드(30)를 제작하여 상기 마스터몰드(30)의 음각 조형상 표면에 이형제를 도포하여 건조시킨 후 그 상면에 복합재료를 적층하여 경화시킨 후 마스터몰드(30)로부터 탈형하는 단계(S3-600) 후 조형물(10)을 제작하는 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법을 제공한다.

상기 복합재료는 상술한 유리섬유, 탄소섬유 중 하나 또는 혼합되어 이루어지는 섬유재와, 에폭시수지, 페놀수지, 폴리에스터수지 중 하나를 택일하여 이루어지는 수지재를 혼합한 것을 동일하게 사용하면서 동일한 방법으로 조형물을 제작하게 된다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

조형물 10 마스터모델 20 마스터몰드 30
음각 조형상 31 출력물 100 서페이스매트 200
보강매트 300

Claims

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제작되어야 할 조형물에 대한 삼차원 이미지를 생성하여 3D프린터를 통해 프린팅하여 상면에 음각 조형상이 형성되는 출력물을 제조하는 제1단계와, 상기 출력물의 음각 조형상 내부면과 출력물 외부면에 보강매트를 1개 또는 복수 층으로 적층하는 제2단계와, 상기 음각 조형상에 적층된 보강매트 상면에 폴리퍼티를 도포하여 표면을 퍼티샌딩하는 제3단계와, 상기 퍼티샌딩된 음각 조형상의 내부면에 하도층 도료를 도포하여 건조 후 연마하는 제4단계 및, 상기 연마된 하도층 도료가 도포된 상면에 상도층 도료를 도포하여 건조 후 연마하는 제5단계로 이루어진 마스터몰드 제작하는 단계;와,
상기 마스터몰드의 음각 조형상 표면에 이형제를 도포하여 건조시킨 후 그 상면에 복합재료를 적층하여 경화시킨 후 마스터몰드로부터 탈형 후 조형물을 제작하는 단계로 이루어지되,
상기 제2 단계에서, 상기 보강매트(300)는 연속배향인 직조된 유리강화 섬유를 보강한 적층매트 20 ~ 45 중량%와, 상기 직조된 유리강화 섬유를 보강한 적층매트에 함침되는 열가소성 수지 조성물 55 ~ 80중량%로 조성된 보강매트이고,
상기 제4단계에서, 상기 하도층 도료는 폴리에스테르 수지 53~67 중량%, 멜라민 수지 3~7 중량%, 아크릴계 수지 1~2 중량%, 술폰산 1~2 중량%, 글래스 울 1~2 중량%, 케톤류 용제 25~35 중량% 및 잔부의 물을 포함하여 하도층 도료 조성물을 형성하여 출력물의 표면에 도포하여 경화 후 연마하게 되며,
상기 제5단계에서, 상기 상도층 도료는 폴리에스테르 수지 44~58 중량%, 멜라민 수지 2~6 중량%, 아크릴계 수지 0.1~1 중량%, 아민계 화합물 0.1~1.0 중량%, 글래스 울 0.1~1.0 중량%, 케톤류 용제 20~30 중량% 및 잔부의 물을 포함하는 상도층 도료 조성물을 형성하여 하도층 도료가 도포된 상면에 도포하여 경화 후 연마하게 되는 것을 특징으로 하는 3D프린터 출력물을 이용한 조형물 제작방법.