KR101860188B1 - 마이크로웨이브를 이용한 3d 프린트물의 표면처리 방법 - Google Patents

마이크로웨이브를 이용한 3d 프린트물의 표면처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 표면 처리 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 3D 프린터에 의한 출력물에 대해 마이크로웨이브를 사용하여 표면처리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 표면 처리액은, 사용이 간편하고, 적은 양만을 사용해도 3D 프린터에 의한 출력물의 표면에 대하여 충분한 표면처리 효과를 낼 수 있으며, 아세톤 함량이 적어서 인체에 무해하다는 장점이 있다. 또한, 마이크로웨이브와 조합하여 사용함으로써 3D 프린터에 의한 출력물의 표면을 세밀하게 처리할 수 있다.

Description

마이크로웨이브를 이용한 표면처리 방법{SURFACE TREATMENT METHOD USING MICROWAVE}
본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 표면 처리 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 3D 프린터에 의한 출력물에 대해 마이크로웨이브를 사용하여 표면처리하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 3차원의 입체 형상을 가진 시제품(Prototype)을 제작하기 위해서는 도면에 의존하여 수작업에 의해 이루어지는 목합 제작방식과 CNC 밀링에 의한 제작방식 등이 있다. 그러나, 목합 제작방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고 많은 시간이 소요되며, CNC 밀링에 의한 제작방식은 정교한 수치제어가 가능하지만 공구간섭에 의하여 가공하기 어려운 형상이 많다. 따라서, 최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 만들어낸 3차원 모델링에서 생성된 데이터를 저장한 컴퓨터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린터 방식이 등장하게 되었다.
이러한 3차원 프린터 방식에는 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(StereoLithograhhic Apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하며 레이저 광선을 주사하여 고결(固結)시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering)와, 접착제가 칠해져 있는 종이를 원하는 단면으로 레이져 광선을 이용하여 절단하여 한층씩 적층하여 성형하는 LOM(Laminated Object Manufacturing)과, 잉크젯(Ink-Jet) 프린터 기술을 이용한 BPM(Ballistic Particle Manufacturing)과 가열된 노즐을 사용 조형 재료를 녹여 층층히 쌓아올려 조형하는 FDM(Fused deposition modeling)방식 등이 있다.
FDM 방식의 3D 프린터의 원재료인 필라멘트(Filament)는 열에 녹는 물질을 가는 실 형태로 가공하여 스플(Spool)에 감아서 사용하는데, 필라멘트를 이송시키는 피더(Feeder)와 필라멘트(Filament)를 녹여서 분사하기 위한 노즐을 탑재하고 인쇄위치로 이동시키는 캐리어 및 출력물을 적재 및 인쇄 위치를 이동시키는 배드로 구성되고, 스풀에 감겨져 있는 필라멘트는 피더를 통하여 연속으로 이송시켜서 노즐로 주입되고 노즐에 주입된 필라멘트는 노즐에서 발생하는 열에 의해 액체상태로 되어 노즐 밖으로 분사되어 출력물을 적재하는 배드에 쌓이게 되어 분사된 액체상태의 필라멘트는 캐리어와 배드의 이동에 의해 이미지가 형성되어 결과로써 3차원 출력물이 형성되도록 동작된다. 이러한 공정에 의해 생성되어, 출력물의 표면이 고르지 못하고, 줄무늬가 있어서, 매끄럽게 하는 공정을 추가로 실시해야만 한다.
FDM 방식의 3D 프린터 출력물의 표면 처리를 위해 일반적으로 사용되는 표면처리액은 아세톤을 들 수 있다. 아세톤을 이용한 표면처리 방식이 다양하게 공지되어 있다. 그 예로서는 아세톤 담금법, 아세톤 바름법, 자연 훈증법, 가열 훈증법을 들 수 있다. 중국 특허 103524770호에서는 스팀을 이용한 표면처리 기술을 기재하고 있다. 하지만, 아직까지 아세톤 가스를 흡입하는 것은 인체에 유독하기 때문에 훈증된 아세톤을 정화할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 시판 중인 MAGIC BOX의 경우, 고가의 가격으로 일반인들에게 보급이 어렵고, 아세톤 정화 성능도 미흡하다는 문제가 있으며, 또한 내부 세척이 곤란하여 유지 및 보수에 불편함이 있다. 따라서, 본원 발명자들은 표면처리 후의 잔여 아세톤을 처리시 발생된 아세톤 폐기물의 양 자체를 줄일 수 있는 방법을 고려해왔다. 따라서, 아세톤의 조성 비율을 줄이거나, 추가 공정을 실시하는 방안을 고려해왔다.
본 발명자들은 아세톤의 함량을 줄이고 알코올, 계면활성제 및 오일을 포함하는 표면 처리액과 마이크로웨이브를 조합하여 사용함으로써 3D 프린터 출력물의 표면에 대한 세밀한 처리 효과를 검증함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 마이크로웨이브에 노출시키는 방법을 사용하여, 사용이 간편하고 적은 양의 아세톤을 포함하는 표면 처리액만으로도 충분히 효과를 낼 수 있고, 인체에 무해한 표면처리액을 사용하는, 마이크로웨이브를 이용한 표면처리 방법을 제공하는 것이다.
이하, 본원에 기재된 다양한 구체예가 도면을 참조로 기재된다. 하기 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 위해서, 다양한 특이적 상세사항, 예컨대, 특이적 형태, 조성물 및 공정 등이 기재되어 있다. 그러나, 특정의 구체예는 이들 특이적 상세 사항 중 하나 이상을 함께 실행하지 않거나, 또는 다른 공지된 방법 및 형태와 함께 실행될 수 있다. 다른 예에서, 공지된 공정 및 제조 기술은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않게 하기 위해서, 특정의 상세사항으로 기재되지 않는다. "한 가지 구체예" 또는 "구체예"에 대한 본 명세서 전체를 통한 참조는 구체예와 결부되어 기재된 특별한 특징, 형태, 조성 또는 특성이 본 발명의 하나 이상의 구체예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸친 다양한 위치에서 표현된 "한 가지 구체예에서" 또는 "구체예"의 상황은 반드시 본 발명의 동일한 구체예를 나타내지는 않는다. 추가로, 특별한 특징, 형태, 조성, 또는 특성은 하나 이상의 구체예에서 어떠한 적합한 방법으로 조합될 수 있다.
명세서에서 특별한 정의가 없으면 본 명세서에 사용된 모든 과학적 및 기술적인 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 당업자에 의하여 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 구체예에서 표면처리할 대상물의 표면에 표면처리액을 도포하는 단계; 상기 표면처리할 대상물의 표면에 마이크로웨이브를 조사하는 단계를 포함하는, 마이크로웨이브를 이용한 표면처리 방법을 제공한다. 상기 구체예에서, 상기 대상물은 3D 프린터 출력물이고, 상기 표면처리액은 처리액 대비 5 내지 20%인 아세톤 또는 아세트산메틸이며, 상기 알코올은 처리액 대비 55 내지 75%이며, 상기 계면활성제인 Tween 80은 처리액 대비 0.2 내지 5%이며, 상기 오일은 처리액 대비 4 내지 20%인 마이크로웨이브를 이용한 표면처리 방법을 제공한다. 상기 구체예에서, 표면을 경화시키기 위해 실온에 정치하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 구체예에서 표면 처리할 대상은 3D 프린터에 의한 출력물 표면의 PLA(poly lactic acid) 또는 ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)이며, 상기 구체예에서 상기 마이크로웨이브는 파장 500 내지 2000 MHz, 온도 80 내지 200℃, 출력 100 내지 500 W에서 10분간 처리하는 것인 마이크로웨이브를 이용한 표면처리 방법을 제공한다.
통상적으로, FDM 방식은 필라멘트 형상의 플라스틱을 녹여서, 노즐을 통해 분사하여 적재함으로써 출력되는 특성을 갖는다. 따라서, 출력물의 표면이 고르지 못하고, 줄무늬가 존재한다.
FDM 방식에 사용되는 플라스틱에는 일반적으로 폴리유산(PLA, poly lactic acid) 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS, Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)를 들 수 있다.
표면처리액은 아세톤 또는 아세트산메틸만을 포함하거나, 표면처리할 대상물의 표면에 부착력을 높이기 위해, 오일, 식용오일, 계면활성제, 점성제(즉, 증점제) 등을 추가적으로 포함할 수 있다.
또한, 표면처리액에는 트리에스테르, 카르복시산, 글리콜, 사이클릭 카보네이트, 알킬아세테이트, 알코올, 폴리아크릴아미드, 비닐피롤리돈/비닐아세테이트 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에서 '계면활성제'란, 물질 표면 또는 계면의 친수, 소수 상태를 개질시키는 것이다. 본 발명에 있어서, 계면활성제는, 분산제, 젖음제, 소포제적 역할을 한다. 이것이 포함되면, 활물질, 도전 조제의 수분산체화의 점에서 바람직하다. 계면활성제는 음이온, 비이온계, 실리콘계인 것이 바람직하지만, 특별히 제한은 없다.
상기 음이온계 계면활성제로서는, 예컨대 도데실벤젠설폰산 나트륨, 라우릴황산 나트륨 등의 C10∼C20의 포화 또는 불포화의 알킬쇄를 가지는 설폰산염, 알킬다이페닐에터다이설폰산 나트륨, 알킬나프탈렌설폰산 나트륨, 다이알킬설포석신산 나트륨, 스테아르산 나트륨 및 올레산 칼륨 등 C10∼C20의 포화 또는 불포화의 알킬쇄를 가지는 카복실산염, 나트륨 다이옥틸설포석시네이트, 폴리옥시에틸렌알킬에터황산 나트륨, 폴리옥시에틸렌알킬에터황산 나트륨, 폴리옥시에틸렌알킬페닐에터황산 나트륨, 다이알킬설포석신산 나트륨, 스테아르산 나트륨, 올레산 나트륨, t-옥틸페녹시에톡시폴리에톡시에틸황산 나트륨염 등을 들 수 있다.
상기 비이온성 계면활성제로서는, 예컨대 폴리옥시에틸렌라우릴 에터, 폴리옥시에틸렌스테아릴 에터 등의 폴리옥시에틸렌알킬 에터류나 폴리옥시알킬렌알킬 에터류, 폴리옥시에틸렌 폴리옥시프로필렌알킬 에터류, 폴리옥시에틸렌 스타이렌화 페닐 에터, 폴리옥시에틸렌 다이스타이렌화 페닐 에터, 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐 에터, 폴리옥시에틸렌 올레일페닐 에터, 폴리옥시에틸렌 노닐페닐 에터, 옥시에틸렌·옥시프로필렌 블록 코폴리머, t-옥틸페녹시에틸폴리에톡시에탄올, 노닐페녹시에틸폴리에톡시에탄올, 아세틸렌 글리콜 유도체의 폴리옥시에틸렌 에터, Tween 80, Triton AG 98(Rhone-Poulenc), poloxamer 407 등을 들 수 있다.
상기 실리콘계 계면활성제로서는, 폴리다이메틸실록산, 폴리에터 변성 폴리다이메틸실록산, 폴리메틸알킬실록산, 실리콘 변성 폴리옥시에틸렌 에터 등을 들 수 있다.
계면활성제는, 1종만을 사용하더라도 좋고, 이들의 복수 종류를 조합하여 사용하더라도 좋다.
이들 계면활성제 중에서도, 활물질이나 도전 조제를 물에 분산시키는 점에서, 올레산 칼륨, 스테아르산 칼륨이 바람직하다. 또한, 물의 표면 장력을 저하시키는 점에서, 아세틸렌 글리콜 유도체의 폴리옥시에틸렌 에터, 실리콘 변성 폴리옥시에틸렌 에터가 바람직하다. 계면활성제로서는, 올레산 칼륨, 아세틸렌 글리콜 유도체의 폴리옥시에틸렌 에터 및 실리콘 변성 폴리옥시에틸렌 에터로부터 선택되는 적어도 1종 이상을 이용하면, 얻어지는 수분산체는 양호한 활물질, 도전 조제의 분산 상태를 얻을 수 있기 때문에 보다 바람직하다.
본 발명에 사용되는 오일은 광유, 동물유, 식물유, 합성유, 또는 그들의 혼합물일 수 있다. 적합한 오일은 수첨분해, 수소첨가, 하이드로피니싱 (hydrofinishing), 비정제, 정제, 및 재-정제 오일, 및 그들의 혼합물에서 유도될 수 있다.
비정제 오일은 천연, 광물, 또는 합성 공급원으로부터 추가의 정제 처리 없이 또는 거의 없이 유도되는 것이다. 정제 오일은 하나 이상의 특성의 개선을 초래할 수 있는 하나 이상의 정제 단계에 의해 처리된 것을 제외하고는 비정제 오일과 유사하다. 적합한 정제 기술의 예는 용매 추출, 이차 증류, 산 또는 염기 추출, 여과, 삼출 등이다. 먹을 수 있는 품질로 정제된 오일이 유용하거나 유용하지 않을 수 있다. 식용유는 또한 백유로도 불릴 수 있다. 일부 구현예에서, 윤활제 조성물에는 식용유 또는 백유가 없다.
재-정제 오일은 또한 재생 또는 재가공 오일로서 알려져 있다. 이들 오일은 정제 오일과 유사하게 동일 또는 유사한 공정을 사용하여 수득된다. 종종 이들 오일은 소모된 첨가제 및 오일 분해 산물의 제거를 위한 기술에 의해 부가적으로 가공된다.
광유는 굴착에 의해 또는 식물 및 동물로부터 수득된 오일 및 그들의 임의의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어 그러한 오일은 피마자유, 라드유, 올리브유, 땅콩유, 옥수수유, 대두유 및 아마인유뿐만 아니라 광물 윤활유 예컨대 액체 석유 및 파라핀, 나프텐 또는 혼합 파라핀-나프텐 유형의 용매-처리된 또는 산-처리된 광물 윤활유를 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 그러한 오일은 필요에 따라 일부 또는 전부 첨가될 수 있다. 석탄 또는 셰일에서 유도된 오일도 또한 유용할 수 있다.
유용한 합성 윤활유는 탄화수소 오일, 예컨대 중합, 소중합, 또는 공중합된 올레핀 (예를 들어, 폴리부틸렌, 폴리프로필렌, 프로필렌이소부틸렌 공중합체); 폴리(1-헥센), 폴리(1-옥텐), 1-데센의 3량체 또는 올리고머, 예를 들어, 폴리(1-데센) (이러한 물질은 종종 α-올레핀으로서 언급됨), 및 그들의 혼합물; 알킬-벤젠 (예를 들어, 도데실벤젠, 테트라데실벤젠, 디노닐벤젠, 디-(2-에틸헥실)-벤젠); 폴리페닐 (예를 들어, 비페닐, 테르페닐, 알킬화 폴리페닐); 디페닐 알칸, 알킬화 디페닐 알칸, 알킬화 디페닐 에테르 및 알킬화 디페닐 술피드 및 그의 유도체, 유사체 및 동족체 또는 그들의 혼합물을 포함할 수 있다. 폴리알파올레핀은 전형적으로 수소첨가된 물질이다.
기타 합성 윤활유는 폴리올 에스테르, 디에스테르, 인-함유 산의 액체 에스테르 (예를 들어, 트리크레실 포스페이트, 트리옥틸 포스페이트, 및 데칸 포스폰산의 디에틸 에스테르), 또는 중합체성 테트라히드로푸란을 포함한다. 합성 오일은 피셔-트로프슈 (Fischer-Tropsch) 반응에 의해 생산될 수 있고, 전형적으로 하이드로이성질화 (hydroisomerized) 피셔-트로프슈 탄화수소 또는 왁스일 수 있다. 하나의 구현예에서, 오일은 피셔-트로프슈 기체-에서-액체 합성 절차 뿐만 아니라 기타 기체-에서-액체 오일에 의해 제조될 수 있다.
본 발명에 의한 표면 처리액은, 사용이 간편하고, 적은 양만을 사용해도 3D 프린터에 의한 출력물의 표면에 대하여 충분한 표면처리 효과를 낼 수 있고, 아세톤 함량이 적어서 인체에 무해하다는 장점이 있다. 또한, 마이크로웨이브와 조합하여 사용함으로써 3D 프린터에 의한 출력물의 표면을 세밀하게 처리할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
3D 프린터 출력물의 표면 처리
1.1 표면 처리용 조성물 제조
하기 표 1에 기재된 바와 같이 표면 처리용 조성물을 제조하였다. 오일 및 계면활성제를 추가하여 표면 부착성을 부여함으로써, 표면 처리용 조성물이 표면에서 흘러 내리는 것을 방지하고 도포 상태를 유지하도록 하였다.
표면 처리용 조성물
구분 아세톤(또는 아세트산 메틸) 에탄올 계면활성제
(Tween 80)		 오일
중량% 10% 55% 1% 10%
1.2 마이크로웨이브 처리
표 1에 따른 조성물을 3D 프린터 출력물의 표면에 처리한 후, 하기 표 2에 기재된 조건에 따라 마이크로웨이브를 사용하여 3D 프린터 출력물의 표면을 처리하였다.
구분 파장 온도 출력 시간
내용 1000 MHz 120 ℃ 300 W 10분
비교예 1.
3D 프린터 출력물의 표면에 대하여, 상기 표 1에서 아세톤(또는 아세트산 메틸)을 30% 포함하도록 제조된 표면 처리액을 사용하였고, 표 2에 기재된 조건에 따라 마이크로웨이브를 처리하였다.
비교예 2.
3D 프린터 출력물의 표면에 대하여, 상기 표 1에서 계면활성제를 제외하고 제조된 표면 처리액을 사용하였고, 표 2에 기재된 조건에 따라 마이크로웨이브를 처리하였다.
비교예 3.
3D 프린터 출력물의 표면에 대하여, 표 1에 따른 표면 처리액을 사용하였고, 표 2에서 파장 2000 MHz, 온도 250 ℃로 조절한 조건에서 마이크로웨이브를 처리하였다.
비교예 4.
3D 프린터 출력물의 표면에 대하여, 표 1에 따른 표면 처리액을 사용하였고, 표 2에서 출력 600W, 시간 20분으로 조절한 조건에서 마이크로웨이브를 처리하였다.
실험예 1.
상기한 바와 같이, 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 따라 3D 프린터 출력물의 표면을 처리한 후 표면 처리 효과에 대해 비교한 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
표면 손상 무 유 무 유 유
세척후 광택 ○ △ △ X △
PLA 제거 95% 이상 70% 65% 60% 68%
ABS 제거 98% 이상 75% 68% 64% 72%
(평가 ○: 양호, △: 중간 X: 불량, 무: 없음, 유: 있음)
비교예 1은 상기 표 1에서 아세톤(또는 아세트산 메틸)을 30% 포함하는 표면 처리액을 사용하고, 상기 표 2에 기재된 마이크로 웨이브 조건으로 대상물에 표면 처리를 실시한 결과이다. 비교예 2는 상기 표 1에서 계면활성제를 제외하고 제조된 표면 처리액을 사용하고, 표 2에 기재된 마이크로웨이브 조건으로 대상물에 표면 처리를 실시한 결과이다. 비교예 3은 상기 표 2에 기재된 마이크로웨이브 처리 조건에서 파장 및 온도를 2000MHz 및 250 ℃로 상향조정하여 대상물에 표면 처리를 실시한 결과이다. 비교예 4는 상기 표 1에 기재된 표면 처리액을 사용하고, 상기 표 2에 기재된 마이크로웨이브 처리 조건에서 출력 및 시간을 600W 및 20분으로 상향 조정하여 대상물에 표면 처리를 실시한 결과이다.
상기 표 3에 기재된 바와 같이, 실시예 1에 따라 아세톤 함량을 줄인 표면처리용 조성물을 처리한 후 마이크로웨이브를 추가 처리함으로써 대상물인 3D 프린터 출력물의 표면 처리 후 발생하는 폐기물 양을 감소시키고 표면 세척 효과를 향상시켰다.

Claims (8)

  1. 표면 처리할 3D 프린터 출력물의 표면에 표면처리액을 도포하는 단계; 및
    상기 표면 처리된 출력물의 표면에 마이크로웨이브를 조사하는 단계를 포함하는, 마이크로웨이브를 이용한 표면처리 방법으로서,
    상기 표면처리액은 유기용매, 알코올, 계면활성제 및 오일을 포함하고,
    상기 유기용매는 표면처리액 대비 5 내지 20중량%의 아세톤 또는 아세트산메틸이며, 상기 알코올은 표면처리액 대비 55 내지 75중량%, 상기 계면활성제인 Tween 80(Polyoxyethylene(20)-SorbitanMonooleate, PEO(20)-SorbitanMonooleate)은 표면처리액 대비 0.2 내지 5중량%, 상기 오일은 표면처리액 대비 4 내지 20중량%이며, 상기 마이크로웨이브는 파장 500 내지 2000 MHz, 온도 80 내지 200℃, 출력 100 내지 500W에서 5 내지 20분간 처리하는 것인, 마이크로웨이브를 이용한 3D 프린트물의 표면처리 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    표면을 경화시키기 위해 실온에 정치하는 단계를 추가로 포함하는, 마이크로웨이브를 이용한 3D 프린트물의 표면처리 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 표면처리대상인 3D 프린트 출력물 표면은 폴리유산(PLA, Poly Lactic Acid) 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS, Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)인, 마이크로웨이브를 이용한 3D 프린트물의 표면처리 방법.
  8. 삭제
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