KR102014836B1 - 3d 멀티-스테이지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 또는 복수의 주형된 바디들을 제조하기 위한 멀티-스테이지 방법에 관한 것이며, 본 방법은:
a. 3D 인쇄 방법에 의해 미립자 재료를 반복적으로 적용하여 층으로 하나 또는 복수의 주형된 바디를 구성하는 단계;
b. 주형된 바디의 사전응고를 성취하기 위한 사전응고 단계;
c. 응고되지 않은 미립자 재료가 사전응고된 주형된 바디로부터 분리되는, 언패킹 단계;
d. 주형된 바디가 열 에너지의 작용에 의해 그 최종 강도를 수용하는, 최종 응고 단계를
포함한다. 본 발명은 또한 이러한 방법에 사용될 수 있는 디바이스에 관한 것이다.

Description

3D 멀티-스테이지 방법{3D MULTI-STAGE METHOD}
본 발명은 멀티-스테이지 3D 인쇄 방법 및 이 방법에 사용될 수 있는 장치에 관한 것이다.
주형과 파운드리 코어들을 제조하기 위한 다양한 방법이 공지되어 있다. 자동화된 기계 주형 방법들은 대형 배치의 분야에서 경제적인 접근 방식이다. 소위 신속한 프로토타이핑 방법(prototyping methods) 또는 3D 인쇄 방법을 이용하는 툴-리스 주형 제조(Tool-less mold production)는 소형 내지 중형 크기의 시리즈를 위한 기계 주형 방법에 대한 대안이다.
툴-리스 제조를 허용하는 레이저 신터링 방법은 발명자인 요하네스 크로닝에 의해 공지된 크로닝 방법(DE832937)을 기반으로 개발되었다. 이 방법에 따르면, 주형된 부분은 바인더로 코팅된 미립자 재료로부터의 층으로 형성된다. 개별적으로 느슨한 입자들의 결합은 예를 들어, 레이저 빔(EP 0 711 213)의 도움으로 에너지를 가하여 달성된다.
실제로, 종래 기술에서 기술된 응고는 공정의 어려움이 발생하기 때문에, 중축합 반응에 의해 거의 도달하지 않는다. 최종 강도를 증가시키기 위한 충분한 빛에 대한 노출은 바인더 케이싱을 심하게 수축시키고, 이것은 현재 층의 공정-호환성이 없는 왜곡을 일으킨다. 따라서 이러한 방식으로 제조된 주형된 부분들의 강도(그린 강도)는 세척 샌드에서 주형된 부분들을 제거(또는 언패킹-이라 함)하는 동안 상당히 약하다. 이것은 언패킹시에 문제를 일으키고 종종 주형된 부분들에 손상을 일으켜서 이들을 사용할 수 없게 한다. 언패킹중의 이러한 문제를 해결하기 위하여 솔더링 램프를 사용하고, 이에 따라 솔더링 램프의 도움으로 표면을 추가적으로 응고하는 방법이 기술되어 있다. 그러나, 이 공정은 숙련된 경험을 요구할 뿐 아니라 매우 노동 집약적이고 시간 소모적이다.
그린 강도의 부족은 너무 작거나 또는 너무 약한 바인더 브리지 때문이다. 왜곡없는 제조를 원할 경우, 바인더는 점성이 많이 남아 있고 적당한 브리지를 형성하지 않는다.
그러나, 크로닝 샌드가 감속제(moderating agent)로 인쇄되는 계층화 방법(layering method)이 DE 197 23 892 C1에 기술되어 있고, 이 방법은 인쇄된 바인더-밀봉 크로닝 샌드의 활성 에너지를 인쇄되지 않은 재료에 대해 증가 또는 감소하게 하고, 그리고 샌드는 열 방사 소스의 도움으로 빛에 노출되게 한다. 이것은 인쇄된 또는 인쇄되지 않은 영역만을 강화하거나 결합하도록 하기 위한 것이다. 그리고 완성된 주형 부분들은 결합하지 않은 샌드에서 제거된다. 그러나, 황산과 같은 적당한 감속제는 상업적 단일 드롭 발생기의 도움으로 인쇄되는 것에만 적합하거나 또는 모두 적합하지 않은 것으로 판단되었다. 또한 응고되지 않은 샌드는 이 방법에서 더 이상 재사용될 수 없는 정도로 빛에 노출됨에 의해 사전에 손상되어 불리한 것으로 결정되었다. 이것은 사용되는 재료의 양을 증가시킬 뿐만 아니라 비용도 증가하기 때문에 불리하다.
모델들을 제조하기 위한 계층화 방법은 US 2005/0003189 A1에 기술되어 있으며, 여기서는 열가소성 미립자 재료가 분말화된 바인더와 혼합하고, 수성 용매와 층으로 인쇄된다. 바인더는 수성 인쇄 매체에서 쉽게 용해되어야 한다. 모델들은 이어서 둘러싸는 분말로부터 제거되고 강도를 증가시킬 목적으로 후속 공정 동안 오븐에서 건조될 수 있다.
인베스트먼트-캐스트 오리지널 모델들을 제조하기 위한 계층화 방법은 DE 102 27 224 B4에 기술되어 있으며, 여기서는 PVP 바인더로 코팅되는 PMMA 미립자 재료가 바인더를 용해시키고 바인더 작용을 활성화시킬 목적으로 용매와 활성제의 혼합물로 층으로 인쇄된다.
공지된 방법들은 툴-의존 공정이거나, 또는 공지된 3D 인쇄 공정은 주형된 부분들을 효율적이고 경제적으로 유리하게 제조하기에 너무 낮은 그린 강도를 달성한다.
따라서, 층으로 주형된 부분들의 툴-리스 제조를 위한 방법, 바람직하게는 바인더로 싸여진 미립자 재료의 도움으로, 파운드리 응용(foundry applications)을 위한 방법을 제공할 필요성이 있었으며, 이러한 방법은 시간 소비 및 비용 집약적인 수동 작업을 감소하거나 또는 전체적으로 방지할 수 있고, 바람직하게는 머신 또는 로봇 도움의 언패킹을 용이하게 하거나, 또는 임의의 경우에 종래 기술의 단점을 감소시키거나 또는 전체적으로 방지할 수 있는 제거 강도 또는 언패킹 강도가 성취된다.
본 출원의 목적은 청구항 1에 따른 방법과 청구항 10에 따른 장치 또는 장치 배열에 의해 달성된다.
바람직한 실시예들은 종속항에서 구현된다.
특히, 이 목적은 하나 또는 복수의 주형된 바디를 제조하기 위한 방법에 의해 성취되며, 이 방법은 다음의 단계를 포함한다:
a. 3D 인쇄 방법에 의해 미립자 재료를 반복적으로 적용하여 층으로 하나 또는 복수의 주형된 바디를 구성(constructing)하는 단계;
b. 주형된 바디의 사전응고를 성취하기 위한 사전응고 단계;
c. 응고되지 않은 미립자 재료가 사전응고된 주형된 바디로부터 분리되는, 언패킹 단계;
d. 주형된 바디가 열 에너지의 작용에 의해 그 최종 강도를 수용하는, 최종 응고 단계.
주형된 바디는 바람직하게는 하나 또는 복수의 추가 처리 단계를 겪는다. 당업자에게 공지된 그 외의 방법들이나 작업 단계들이 사용될 수 있다. 하나 또는 복수의 추가 처리 단계는 예를 들어 연마 또는 염색을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
본 발명에 따른 방법에서, 주형된 바디(또한 구성부품이라고 함)는, 응고되지 않은 미립자 재료로부터의 언패킹이 가능한 정도까지 사전응고 단계에서 응고되며, 주형된 바디는 3D 인쇄 방법에서 형성된 형태를 본질적으로 유지한다. 특히, 수축 등이 본질적으로 회피된다. 언패킹 작업은 수동 또는 기계적으로, 또는 로봇 도움 방식으로 행해질 수 있다.
120 N/cm2 보다 크거나, 바람직하게는 200 N/cm2 보다 크거나, 특히 바람직하게는 120 내지 400 N/cm2 인 항절 강도(Flexural strength)가 사전응고 단계 후에 사전응고된 주형된 바디(그린 바디)에서 달성될 수 있다.
언패킹 후에, 주형된 바디는 바람직하게는 불활성인 미립자 재료에 의해 다시 둘러싸일 수 있고, 이에 따라 후속 열처리 단계에서 주형된 바디를 지지할 수 있고, 균일한 열전도를 달성할 뿐 아니라 열을 양호하게 전도할 수 있게 된다. 미립자 재료를 균일하게 분배하기 위해 교반 장치가 사용될 수 있다.
250 N/cm2 보다 크거나, 바람직하게는 250 내지 750 N/cm2 이거나, 바람직하게는 750 N/cm2 보다 크거나, 특히 바람직하게는 1000 N/cm2 보다 크거나, 심지어 더욱 바람직하게는 1200 N/cm2 보다 큰 항절 강도가 최종 응고 단계 후에 주형된 바디에서 성취될 수도 있다.
하나의 바람직한 실시예에서, 상기 방법은 추가적인 열 에너지를 가하지 않고도 사전응고 단계가 발생하는 방식으로 수행된다.
사전응고 단계는 바람직하게는 용매 및/또는 중합 반응을 이용하여 행해질 수 있다.
최종 응고 단계는 바람직하게는 열처리의 도움으로 행해질 수 있다. 그러나, 당업자에게 공지된 다른 최종 응고 방법 및 처리도 가능하다.
구성부품은 열처리 중에 불활성 재료에 의해 지지 될 수 있다.
바람직하게는 110 ℃ 내지 130 ℃, 바람직하게는 130 ℃ 내지 150 ℃, 특히 바람직하게는 150 ℃ 내지 200 ℃의 온도가 최종 응고 단계에서 사용된다.
구성부품의 온도는 2 내지 24시간의 시간 범위에 있는 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 온도가 2 내지 5 시간에 걸쳐 유지되는 것이다.
천연 실리카 샌드, 홍주석(kerphalite), 세라 비드, 지르콘 샌드, 크로마이트 샌드, 올리빈 샌드, 샤모트, 강옥 또는 유리 구체가 미립자 재료로서 사용된다.
미립자 재료는 하나 또는 복수의 재료들을 갖는 단일-상 코팅 또는 케이싱을 특징으로 한다. 코팅 또는 케이싱은 바람직하게는 바인더일 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 케이싱 또는 코팅은 바람직하게는 열가소성 중합체, 수용성 중합체, 왁스, 합성 및 천연 수지, 당, 염, 무기 네트워크 형성제 또는 물 유리를 구비하거나 포함한다.
용매는 바람직하게는 물, 탄화수소, 알코올, 에스테르, 에테르, 케톤, 알데히드, 아세테이트, 숙시네이트, 단량체, 포름알데히드, 페놀 및 그 혼합물을 구비하거나 포함한다.
상기 방법에서, 바인더는 중합성 단량체를 포함할 수 있다. 상기 방법의 하나의 바람직한 실시예에서, 코팅 또는 케이싱은 바인더와 함께 중합을 개시하기 위한 재료를 포함한다.
케이싱 또는 코팅에 포함된 재료는 바람직하게는 사전응고 단계에서 최종 강도 또는 예비 강도에 기여하고 최종 응고 단계에서 최종 강도에 기여한다.
본 발명에 따른 방법에서, 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 두 개의 상이한 재료들은 케이싱 또는 코팅에 포함되고, 하나의 재료는 본질적으로 사전응고 단계에 이용되고 다른 재료는 본질적으로 최종 응고 단계에 이용된다.
따라서 상기 방법이 간략화되어, 빠르게 수행될 수 있어 보다 경제적이 될 수 있다.
상기 코팅 또는 케이싱은 바람직하게는 바인더에 의해 활성화되는 컬러 표시기를 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적합한 장치 또는 장치 배열에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법의 제1 단계는, 원칙적으로, 3D 인쇄 방법에 있어서 종래 기술에서 설명한 바와 같이 수행될 수 있다. 이와 관련하여, EP 0 431 924 B1 및 DE102006038858 A1이 예로서 인용된다. 후속 언패킹 단계는 수동으로, 바람직하게는 기계적인 도움 방식으로 수행될 수 있다. 로봇 도움 언패킹은 본 발명에 따른 기계적인 방법 단계의 바람직한 또 다른 변형이다. 이 경우, 이들 언패킹, 즉, 응고되지 않은 미립자 재료의 제거 및 주형된 부분의 이동은 컴퓨터-제어 그리퍼 아암 및 추출 유닛의 도움으로 행해질 수 있다.
본 발명은 바람직하게는 미립자 재료 베드-기반 3D 인쇄 방법의 도움으로 수행된다. 원하는 주형된 바디는 3D 인쇄 동안 반복 적층하여 생성된다. 이를 위해, 미립자 재료는 표면상에 박층으로 (균일하게) 적용된다. 원하는 3D 물체의 섹션에 따른 이미지는 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 인쇄된다. 인쇄된 영역은 응고되고, 미리 인쇄된 표면의 하부에 접착된다. 생성된 층은 장치의 설계에 따른 하나의 층의 두께만큼 변화된다.
중력의 방향으로 층을 내려가게 하는 3D 프린터들이 사용될 수 있다. 사이클링 원리에 따라 설계된 기계들이 바람직하게 사용되며, 이 경우 층들은 이송 방향으로 이동된다. 미립자 재료가 이제 다시 빌드 표면에 적용된다. 코팅, 인쇄 및 로워링(lowering) 단계를 포함하는 빌드 공정은 하나 이상의 주형된 바디(들)가 완성될 때까지 계속 반복된다.
3D 인쇄의 방법 단계와 사전응고 단계는 바인더로 둘러싸인 미립자 재료에 용매를 선택적으로 인쇄하여 바람직하게 구현된다. 용매는 케이싱을 액화시킨다. 점도는 열 용융에 비해 크게 낮다. 중합체 용융물의 점도는 약 10 내지 1,000 Pas의 범위 내에 있을 수 있지만, 중합체 용액은 첨가된 양과 용매에 따라 몇 mPas의 점도에 도달할 수 있다. 2 내지 100 mPas의 점도가 바람직하며, 2 내지 10 mPas의 점도가 더 바람직하며, 2 내지 5 mPas의 점도가 심지어 더욱 바람직하다.
용매를 건조할 때, 유체 혼합물은 두 입자 사이의 접촉점 안으로 들어가고 스트롱 브리지 뒤에 남겨 진다. 이 효과는 인쇄 유체에 중합체를 첨가함으로써 강화될 수 있다. 이 경우에, 적합한 방법 조건이 선택되거나 또는 중합 반응에 필요한 대응하는 구성부품이 용매와 섞이거나 또는 미립자 재료의 코팅과 섞인다. 당업자에게 공지되어 있고, 중합화, 중첨가 또는 중축합 반응에 적합한 모든 수지들 또는 합성 수지가 사용될 수 있다. 이러한 유형의 재료들은 바람직하게는 DIN 55958로 정의되어 있고 여기에 참고로 명세서의 기술에 추가된다.
본 발명에 따르면, 바인더로 둘러싸인 주조 주형 재료는 미립자 재료로서 사용될 수 있다. 케이싱은 실온에서 고체이다. 미립자 재료는 따라서 주입가능하고, 자유로이 흐른다. 입자를 둘러싸는 재료는 잉크젯 프린트 헤드에 의해 제공되는 인쇄 유체에서 바람직하게 용해된다. 마찬가지로 바람직한 설계에 있어서, 인쇄 유체는 케이싱 재료 또는 분산액 또는 용액 형태의 전구체를 포함한다.
인쇄 유체에 존재하는 재료는 마찬가지로 바람직하게는 상이한 재료 그룹에 속할 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서, 용매는 주변 미립자 재료 내에 소멸하거나 증발에 의해 대기로 소멸될 수 있다. 마찬가지로, 용매는 또한 케이싱 재료와 반응하고 응고될 수 있다.
미립자 재료와 케이싱에 대한 재료 그룹들은 다양하다. 베이스 재료들은 예를 들어, 천연 규사, 케파라이트(kerphalite), 세라 비드, 지르콘 샌드, 크로마이트 샌드, 올리빈 샌드, 샤모트 또는 강옥일 수 있다. 그러나, 다른 미립자 베이스 재료들이 또한 일반적으로 적합하다. 케이싱은 유기 또는 무기일 수 있다. 그것은 용액에서 열적으로 또는 기계적인 스트라이킹 또는 롤링에 의해 인가된다.
페놀 수지에 더하여, 적합한 바인더의 예는 푸란, 우레아 또는 아미노 수지, 노볼락 또는 레졸, 우레아 포름알데히드 수지, 퓨퓨릴 알코올 우레아 포름알데히드 수지, 페놀-변성 푸란 수지, 페놀 포름알데히드 수지 또는 퓨퓨릴 알코올 페놀 포름알데히드 수지이며, 이들은 각각 액체, 고체, 과립 또는 분말 형태로 존재할 수 있다. 에폭시 수지를 사용하는 것도 가능하다.
예를 들어, Huttenes-Albertus Chemische Werke 의 RFS-5000 제품과 같은, 대략 140 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 둘러싸인 규사가 특히 바람직하다. 이것은 레졸 수지 케이싱을 공급받는다. 하나의 단순한 설계에서, 에탄올/이소프로필 알코올 혼합물이 인쇄 유체로서 사용될 수 있다. 사전용해된 수지가 또한 인쇄 유체에 첨가될 수 있다. 이것의 한 예는 Huttenes-Albertus의 코르도르(Corrodur) 제품이다. 본 발명에 따르면, 120 N/cm²보다 큰 강도는 인쇄 공정과 10 중량 %의 액체 바인더의 첨가 이후에 24 시간의 시간 주기 후에 나타난다. 따라서 심지어 섬세한 구조가 빠르게 분리될 수 있다.
코르도르 형태의 사전용해된 수지 형태인 고농축 재료는 시스템에 대한 액상 바인더로서 더욱 바람직하게 사용될 수 있다. 디옥솔란이 용매 첨가제로서 사용될 수 있다. 수지의 높은 비율 때문에, 낮은 케이싱 함량을 갖는 주형 베이스 재료가 선택될 수 있다. 마찬가지로, 강도가 부족한 처리되지 않은 샌드가 사용될 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 설계는 코팅 재료가 완전히 용해되는 것을 볼 수 있다.
하나의 특히 바람직한 실시예에서, 3D 인쇄의 제1 방법 단계에서 사용되는 재료는 이미 최종 응고 단계에 필요한 모든 구성부품, 바람직하게는 미립자 재료에 바인더를 포함하며, 이것은 다른 바인딩 메커니즘(화학적 대신 물리적 또는 그 반대) 또는 다른 재료(인쇄 용액 내의 바인더)를 사용하여 사전응고 단계에서 먼저 결합되고, 바람직한 최종 강도가 달성되는 방식으로 추후의 최종 응고 단계에서 반응/응고된다. 따라서 미립자 재료가 제1 방법 단계에서 이미 최종 응고에 필요한 모든 재료들을 함유하고 있어, 다른 응고 단계를 단순화할 수 있는 장점이 있고, 열처리 단계에서 재료를 추가하지 않고 바람직한 최종 강도를 실현할 수 있다.
본 발명에 따른 방법과 본 발명에 따른 장치를 사용하여, 재료 및 방법 조건을 조합함으로써, 본 발명자들은 효율적인 방법이 제공되었다는 사실을 바람직하게 실현할 수 있었고, 이것은 작업 단계를 조합할 수 있어, 수동 단계의 사용을 감소시키고, 이에 따라 처리 속도를 긍정적으로 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 방법을 사용하면, 파손 또는 다른 손상 없이, 그리고 3D 인쇄 방법에서 도구를 사용하지 않고, 열 응고 단계에 그린 바디를 공급하는 것이 충분하여 그린 바디에 항절 강도(flexural strength)를 달성하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 방법과 이에 따른 적당한 장치를 사용하면, 최종 가열 응고 단계뿐만 아니라 사전응고 단계에 필요한 모든 재료를 미립자 재료 내에 포함시키는 것이 놀랍게도 가능하다. 결합된 재료들, 즉, 최종 응고 단계뿐만 아니라 사전 응고 단계에 대한 활성 재료는, 이들 재료 사이의 상호 작용이 방법에 불리하게 했던 방식으로 작용하지 않아 놀라웠다.
의도적으로 재료를 선택함으로써, 본 발명자들은 실제로 사전응고 단계 및 최종 응고 단계 모두에 대한 바람직한 실시예들에서 유리한 효과를 달성할 수 있었다. 그것은 방법에 필요한 모든 성분이-바인더를 예외로 하고- 하나의 미립자 재료로 결합될 수 있어 특히 유리한 것으로 입증되었고, 따라서 단지 하나의 미립자 재료가 추가적인 혼합 단계 또는 응용 단계를 필요로 하지 않고 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에 따른 특히 바람직한 재료 조합이 예로서 기술되었다. 다른 예들로부터의 재료의 하위 조합도 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 3D 멀티-스테이지 방법을 통해, 시간 소비 및 비용 집약적인 수동 작업을 감소하거나 또는 전체적으로 방지할 수 있고, 바람직하게는 머신 또는 로봇 도움의 언패킹을 용이하게 하거나, 또는 임의의 경우에 종래 기술의 단점을 감소시키거나 또는 전체적으로 방지할 수 있는 제거 강도 또는 분리 강도가 성취된다.
도 1은 샌드 그레인(101)이 바인더(102)로 싸여져 있는 미립자 재료(100)를 도시한 도면.
도 2는 용매가 추가된 미립자 재료(200)를 증발시키는 공정을 도시한 도면으로서, 이러한 공정에 의해 미립자들(200, 200은 201 및 202를 포함)이 바인딩(bound)되고, 재료가 사전응고되며, 용매의 증발은 또한 열(203)을 가함으로써 가속화될 수 있는, 도면.
도 3은 사전응고된 주형된 바디(300)의 구조를 도시한 도면.
도 4는 인쇄 이후의 동작을 도시한 도면으로서, 이러한 경우, 용매는 미립자 코어(401)의 바인더 코팅(402)을 관통하기 시작하는, 도면.
도 5a 내지 도 5d는 용매의 증발 공정을 도시한 도면으로서, 혼합물은 미립자들(500) 사이의 접촉점(503)에 농축되는, 도면.
앞서 설명된 바와 같이, 주형된 바디는 개별적인 미립자들을 바인딩시킴으로써 형성된다(도 3).
미립자 재료계 공정은 바인더(102)에 의해 싸여지는 미립자 재료(100)에 기초한다(도 1). 케이싱(102)은 특징으로서 베이스 재료(101)와는 상이한 특성들을 갖는다. 크로닝 공정으로부터 알려진 샌드는 한 예시로서 언급될 수 있다. 이러한 경우, 샌드(101)의 그레인은 노볼랙 수지(novolak resin)(102)로 코팅된다. 이 수지는 제조 공정 동안에 샌드 상에서 용해되고, 샌드와 혼합된다. 샌드는 수지가 냉각되었을 때까지 계속 혼합된다. 개별적인 그레인들은 분리되어, 이로써 부을 수 있는 재료(pourable material)(100)가 된다.
10 ㎛과 2,000 ㎛ 사이의 평균 그레인 직경을 갖는 베이스 재료들은 본 발명에 따른 방법에서의 공정을 위한 적절한 샌드로서 고려될 수 있다. 천연 실리카 샌드, 홍주석, 세라 비즈, 지르콘 샌드, 크로마이트 샌드, 올리빈 샌드, 샤모트, 강옥 및 유리 구체들과 같은 상이한 베이스 재료들은 주조 공정들에서의 차후적인 사용을 위해 적절하다.
바인더들은 넓은 범위의 재료들에 가해질 수 있다. 중요한 전형들(representatives)은 페놀 수지(레졸 수지 및 노볼랙), 아크릴 수지 및 폴리우레탄이다. 게다가, 모든 열가소성 수지들은 그레인들에 열로 가해질 수 있다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 재료들의 예시들은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리옥시메틸렌, 폴리아미드, 아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴 스티렌 부타디엔, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴산염, 폴리에틸 메타크릴산염 및 폴리카보네이트이다.
추가적으로 또는 전체적으로 열을 공급하지 않고도, 용매들은 바인딩 가능한 재료를 통해 본 발명에 따라 코팅된 그레인들을 코팅하도록 사용될 수 있다. 다른 케이싱들은 또한 용매들에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 물 유리는 물에 용해되고 샌드와 혼합될 수 있다. 재료는 차후적으로 건조 및 파손(broken)된다. 과도하게 거친 미립자들은 체가름(sieving)에 의해 제거된다. 용해 공정이 가역성이기 때문에, 이에 따라 획득된 재료는 인쇄 유체로서 물과 함께 인쇄함으로써 본 발명에 따른 공정에서 사용될 수 있다.
본 발명의 선호되는 한 실시예에서, 재료들은 용해 공정 동안 유체 바인더와의 반응을 드러내는 케이싱(102)에서 제공될 수 있다. 예를 들어, 중합을 위해 스타터들(starters)이 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 미립자 재료 내에서의 용매의 증발 공정은 가속화될 수 있는데, 이는 보다 더 적은 인쇄 용액이 증발에 의해 미립자 재료 케이크를 면할 필요가 있기 때문이다. 그 결과로서, 주형된 부분들은 이들의 그린 강도에 보다 더 빨리 도달할 수 있으며, 이에 따라 보다 더 일찍 미립자 재료로부터 언패킹될 수 있다.
인쇄된 부분들이 용매 공정에서 둘러싸는 느슨한 미립자 재료와 많이 상이하지는 않기 때문에, 안료를 인쇄 매체에 도입함으로써 주형된 부분들을 염색하는 것이 합리적일 수 있다. 이러한 경우, 두 개의 재료들의 결합에 기초한 색 반응을 이용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 리트머스가 용매에 사용될 수 있다. 베이스 재료는 바인더로 코팅되기 이전에 산(acid)의 염(salt)과 혼합된다. 그 결과로서, 염색뿐만 아니라, 용해 반응의 강도 제어가 가능하다. 예를 들어, 반응성 물질이 베이스 재료의 그레인과 직접 접촉하는 경우와, 그것이 케이싱에 의해 보호되는 경우, 색 표시기(color indicator)는 케이싱이 완전히 용해되었음을 보여준다.
용매를 증발시키는 공정은 열을 공급함으로써 또한 가속화될 수 있다(도 2). 이는 대류 또는 방열기들에 의해 발생할 수 있다. 에어 드래프트(air draft)와 가열의 결합은 특히 효과적이다. 건조 공정이 너무 빠른 경우, 바인더가 부분적으로만 용해될 수 있다는 것이 주목될 것이다. 강도 발현(strength development) 및 언패킹 시간에 대한 최적의 값들은 용매의 변형(variations) 및 시험을 통해 조사(ascertain)될 수 있다.
인쇄 유체는 인쇄 공정에서 코팅된 그레인에 가해진다. 그것의 주요 기능에 있어서, 인쇄 유체는 바인더 케이싱을 용해시킨다. 크로닝 샌드의 경우, 인쇄 유체의 대략 10 wt%는 이러한 목적을 위해 인쇄된다. 이소프로필 알코올은, 예를 들어 용매로서 적절하다. 인쇄 이후에, 용매는 바인더 케이싱을 관통하기 시작한다(도 4). 용매 내의 케이싱 재료의 농도는 증가한다. 용매가 증발할 때, 혼합물은 미립자들 사이의 접촉점에 농축된다(도 5). 추가적인 증발은 접촉점 내의 케이싱 재료가 응고되게 한다. 비교적 낮은 점성도로 인해, 용해 공정(melting processes)에 대조적으로 유리한 공정 윈도우가 생긴다. Huttenes-Albertus RFS 5000 유형의 상업적 크로닝 샌드의 지원을 통해, 예를 들어 100 N/cm2보다 더 큰, 바람직하게는 120 N/cm2보다 더 큰 언패킹 항절 강도가 도달된다. 이는 심지어 대형-포맷(large-format)의 섬세한 부분들을 안전하게, 그리고 왜곡되지 않게 언패킹하기에 충분하다.
제거 방법의 단계 - 이는 또한 언패킹으로 지칭되기도 함 - 이후에, 주형된 부분들은 최종 응고 단계에 공급된다. 주형된 부분들은 차후적으로 추가적인 후속 공정들에 공급된다. 본 발명의 이러한 방법의 단계는 바람직하게는 열 처리 단계의 형태로 수행된다. 본 발명에 따른 공정에 따라 제조되는 크로닝 샌드로 생성된 부분들이 한 예시로서 사용될 수 있다. 언패킹 이후에, 이들 부분들은 바람직하게는 또 다른 미립자 재료에 재 삽입된다. 하지만, 이러한 재료는 바인더 케이싱을 갖지 않으며, 바람직하게는 양호한 열 전도성을 갖는다. 부분들은 차후적으로 오븐에서 바인더의 용해 온도를 초과하여 열 처리된다. 바람직한 실시예들 중 하나에서, 케이싱의 특수 페놀 수지는 교차-결합(cross-link)되고, 강도가 현저히 증가된다. 용해 점착물들(melting adhesives)이 이러한 방법의 최종 응고 단계를 위해 일반적으로 선호된다. 다음은 바람직하게는 베이스 중합체들로서 사용될 수 있다: PA(폴리아미드), PE(폴리에틸렌), APAO(비결정질 폴리 알파 올레핀), EVAC(에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머), TPE-E(폴리에스테르 엘라스토머), TPE-U(폴리우레탄 엘라스토머), TPE-A(코폴리아미드 엘라스토머) 및 비닐피롤리돈/비닐 아세테이트 코폴리머. 핵형성제(nucleating agents)와 같이 당업자에게 알려진 보편적인 기타 첨가제들이 추가될 수도 있다.
본 발명에 따른 방법을 이용하여, 1,000 N/cm2보다 더 큰 항절 강도를 갖는 주형된 부분들은 상업적 샌드의 지원을 통해 생성된다.
예시 1
Huttenes-Albertus RFS 5000 유형의 크로닝 샌드는 계층화 공정에서 사용된다. 이러한 목적으로, 샌드는 0.2-mm 층의 빌드 평면에 침전된다. 단일-분사 인쇄 헤드(drop-on-demand print head)의 지원을 통해, 샌드는 차후적으로, 대략 10 wt%가 인쇄된 영역들에 도입되는 방식으로, 원하는 물체의 단면에 따라 이소프로필 알코올 용액으로 인쇄된다. 그리고 나서, 빌드 평면은 층의 두께만큼 계층화 메커니즘에 대하여 이동(shift)되고, 층 응용 및 인쇄를 포함하는 동작은 다시 시작된다. 이러한 사이클은 원하는 구성부품이 인쇄될 때까지 반복된다. 전체적인 동작은 정상 조건 하에서 수행된다. 공정실 내의 온도는 18 ℃ 내지 28 ℃, 바람직하게는 20 ℃ 내지 24 ℃일 것이다.
샌드의 최종 층들이 적절한 강도를 발현하기 이전에 대략 24시간이 경과해야 한다. 그리고 나서, 구성부품은 언패킹될 수 있으며, 즉 둘러싸는 샌드로부터 제거될 수 있으며, 모든 분말 침전물들에서 벗어날 수 있다. 인쇄된 시험 바디들이 40 ℃의 온도에서 30분간 순환 공기 오븐에서 건조될 때, 이들은 120 N/cm2의 항절 강도를 드러낸다.
그리고 나서, 부분들은 차후적인 열 처리 단계를 위해 준비된다. 이러한 목적으로, 이들은, 예를 들어 내온도성 용기(temperature-resistant container)에 놓이는 코팅되지 않은 샌드에 도입된다. 부분과 지지 샌드 사이의 양호한 접촉을 보장하기 위해, 배치하고 샌드로 채우는 동안에 용기에 진동이 가해진다.
고온에서의 경화 반응(hardening reaction), 즉 최종 응고 단계 동안의 방식으로 어떠한 변형도 회피될 수 있다. 이에 따라, 구성부품은 150 ℃의 온도에서 10 시간 동안 오븐에서 가열된다. 오븐에서 제거된 이후에, 구성부품이 분말 베드로부터 취급 및 제거되도록 충분히 냉각되었을 때까지 대략 30분이 다시 경과해야 한다. 이러한 공정 단계 이후에, 침전물들은 샌드 블라스팅(sand blasting)에 의해 제거될 수 있다. 처리된 굽힘 시험 바디들은 이러한 최종 응고 단계 이후에 800 내지 1,000 N/cm2의 항절 강도를 드러낸다.
예시 2
계층화 공정은 제1 예시와 유사한 방식으로 수행된다. Huttenes-Albertus CLS-55 유형의 크로닝 샌드는 이러한 경우에 사용된다. 이러한 목적으로, 샌드는 0.2-mm 층 내의 빌드 평면에 다시 침전된다. Huttenes-Albertus로부터의 15% 코르도르의 용액, 42.5% 에탄올 및 42.5% 이소프로필 알코올이 인쇄 유체로서 사용된다. 대략 유체의 10 wt%가 샌드 위에 인쇄된다.
주형된 바디를 언패킹하고, 사전응고 단계로도 지칭되는 이러한 제1 방법의 단계를 완료한 이후에 항절 강도는 이 경우 140 N/cm2이다. 최종 응고 단계로도 지칭되는 제2 방법의 단계 이후에 최종 항절 강도는 다시 800 N/cm2이다.
예시 3
이러한 선호되는 제조 방법을 위한 공정은 이전 예시들과 유사한 방식으로 수행된다. 이러한 경우, 800 N/cm2의 강도는 베이스로서 처리되지 않은 샌드를 사용하여 달성된다. 50% 코르도르와 50% 디옥솔란의 혼합물은 바인더 유체로서 사용된다. 10 wt%가 인쇄된다. 공정은 실온에서 발생한다. 구성부품은 인쇄 이후에 미립자 재료로부터 언패킹될 필요가 없는데, 이는 싸여 있지 않은 재료는 열 에너지에 의해 바인딩될(bound) 수 없기 때문이다. 전체 박스나, 또는 예를 들어, 하나의 인쇄된 박스는 최종 응고 단계를 수행하도록 오븐에 도입될 수 있다. 굽힘 시험 바디를 포함하는 8 x 8 x 20 cm의 샌드 체적(volume)은 150°의 온도에서 24시간 동안 오븐에서 열-처리된다. 최종 응고 단계의 종결 시의 강도는 대략 800 N/cm2이다. 강열 감량 결정(ignition loss determination)에 의한 유기적 비율(organic proportion)의 결정은 5 wt%를 드러낸다. 이러한 경우에 재료는 Huttenes-Albertus로부터의 RFS-5000 및 CLS-55 제품들에 대응한다. 오븐 공정 이후에, 부분들은 샌드 블라스팅에 의해 세척될 수 있다.
100, 200: 미립자 재료 101: 샌드 그레인
102: 바인더 203: 열
300: 사전응고된 주형된 바디 401: 미립자 코어

Claims (20)

  1. 하나 또는 복수의 주형된 바디를 제조하기 위한 방법으로서,
    a. 수용성 중합체를 포함하는 케이싱 또는 코팅을 포함하는 미립자 재료를 반복적으로 적용하고 상기 미립자 재료 상에 용매를 포함하는 유체를 선택적으로 인쇄함으로써, 하나 또는 복수의 주형된 바디를 층들(layers)로 구성(constructing)하는 단계;
    b. 상기 주형된 바디의 사전응고를 성취하기 위한 사전응고 단계 - 상기 사전응고 단계는 상기 수용성 중합체를 상기 용매로 액화시킴으로써 상기 미립자 재료의 두 개의 인접한 입자들 사이에 브리지를 형성한 다음 상기 브리지로부터 상기 용매를 제거함으로써 응고하는 단계를 포함함 -;
    c. 응고되지 않은 미립자 재료가 상기 사전응고된 주형된 바디로부터 분리되는 언패킹 단계; 및
    d. 상기 언패킹 단계 이후에, 상기 사전응고된 주형된 바디가 열 에너지의 작용으로 인해 자신의 최종 강도를 수용하는 최종 응고 단계를 포함하고,
    상기 열 에너지의 작용은 화학적 메커니즘을 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 최종 응고 단계는 110 ℃ 내지 200 ℃의 온도로 가열되는 것을 포함하는, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 케이싱 또는 코팅은 바인더(binder)를 포함하는, 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 케이싱 또는 코팅은 열가소성 중합체, 수용성 중합체, 왁스, 합성 및 천연 수지, 당, 염, 무기 네트워크 형성제 또는 물 유리를 구비하거나 포함하는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 사전응고 단계는 물, 탄화수소, 알코올, 에스테르, 에테르, 케톤, 알데히드, 아세테이트, 숙시네이트, 단량체, 포름알데히드, 페놀 및 그 혼합물을 포함하는 용매를 사용하여 수행되는, 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 바인더는 중합성 단량체를 포함하는, 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 사전응고된 주형된 바디는 120 N/cm2 보다 큰 항절 강도(flexural strength)를 갖고, 상기 주형된 바디는 상기 최종 응고 단계 이후에 250 N/cm2 보다 큰 항절 강도를 갖고,
    상기 케이싱 또는 코팅에 포함된 재료는 상기 사전응고 단계에서는 상기 최종 강도 또는 예비 강도에 기여하고, 상기 최종 응고 단계에서는 상기 최종 강도에 기여하는, 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 주형된 바디는 하나 또는 복수의 추가 처리 단계들에 종속되고,
    상기 주형된 바디는 상기 응고되지 않은 미립자 재료로부터의 언패킹이 가능한 정도까지 상기 사전응고 단계에서 응고되고, 상기 주형된 바디는 3D 인쇄 방법에서 형성된 형태를 유지하고,
    상기 언패킹은 수동으로 또는 기계적으로 또는 로봇 도움 방식으로 수행되고,
    상기 사전응고된 주형된 바디(그린 바디)는 상기 사전응고 단계 이후에 120 N/cm2 보다 큰 항절 강도를 갖고,
    상기 주형된 바디는 상기 최종 응고 단계 이후에 250 N/cm2 보다 큰 항절 강도를 갖고,
    상기 사전응고 단계는 추가적인 열 에너지를 도입하지 않고도 발생하고,
    상기 사전응고 단계는 용매 그리고/또는 중합 반응을 이용하여 발생하고,
    상기 최종 응고 단계는 열 처리의 도움으로 발생하고, 그리고
    상기 바디는 불활성 재료의 도움으로 열 처리되는, 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 사전응고된 주형된 바디(그린 바디)는 상기 사전응고 단계 이후에 120 내지 400 N/cm2 의 항절 강도를 갖고, 상기 주형된 바디는 상기 최종 응고 단계 이후에 750 N/cm2 보다 큰 항절 강도를 갖는, 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 최종 응고 단계에서의 온도는 130 ℃ 내지 200 ℃인 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제 2 항에 있어서,
    구성부품의 온도는 2 내지 24시간의 시간 범위 내에서 유지되는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 미립자 재료로서 천연 실리카 샌드, 홍주석(kerphalite), 세라 비드, 지르콘 샌드, 크로마이트 샌드, 올리빈 샌드, 샤모트, 강옥 또는 유리 구체가 사용되는, 방법.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 코팅 또는 케이싱은 상기 바인더로 중합을 개시하기 위한 재료들을 포함하는, 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 케이싱 또는 코팅은 하나 또는 복수의 재료들을 포함하고,
    상기 케이싱 또는 코팅은 바인더를 포함하고,
    상기 케이싱 또는 코팅은 열가소성 중합체, 수용성 중합체, 왁스, 합성 및 천연 수지, 당, 염, 무기 네트워크 형성제 또는 물 유리를 구비하거나 포함하고,
    상기 사전응고 단계는 물, 탄화수소, 알코올, 에스테르, 에테르, 케톤, 알데히드, 아세테이트, 숙시네이트, 단량체, 포름알데히드, 페놀 및 그 혼합물을 포함하는 용매를 사용하여 수행되고,
    상기 케이싱 또는 코팅은 상기 바인더로 중합을 개시하기 위한 재료들을 포함하고,
    상기 사전응고된 주형된 바디는 120 N/cm2 보다 큰 항절 강도를 갖고, 상기 주형된 바디는 상기 최종 응고 단계 이후에 250 N/cm2 보다 큰 항절 강도를 갖고,
    상기 케이싱 또는 코팅에 포함된 재료는 상기 사전응고 단계에서는 상기 최종 강도 또는 예비 강도에 기여하고, 상기 최종 응고 단계에서는 상기 최종 강도에 기여하고, 그리고
    두 개의 서로 다른 재료들이 상기 케이싱 또는 코팅에 포함되고, 여기서 하나의 재료는 상기 사전응고 단계에 이용되고 다른 하나의 재료는 상기 최종 응고 단계에 이용되는, 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매를 포함하는 상기 유체만이 상기 미립자 재료 상에 인쇄되는, 방법.
  16. 하나 또는 복수의 주형된 바디를 제조하기 위한 방법으로서,
    a. 3D 인쇄 방법에 의해 미립자 재료를 반복적으로 적용함으로써 하나 또는 복수의 주형된 바디를 층들로 구성하는 단계;
    b. 상기 주형된 바디의 사전응고를 성취하기 위한 사전응고 단계;
    c. 응고되지 않은 미립자 재료가 상기 사전응고된 주형된 바디로부터 분리되는 언패킹 단계; 및
    d. 상기 사전응고된 주형된 바디가 열 에너지의 작용으로 인해 자신의 최종 강도를 수용하는 최종 응고 단계를 포함하고,
    상기 미립자 재료는 베이스 재료와, 코팅 또는 케이싱을 포함하고, 그리고
    상기 코팅 또는 케이싱은 바인더에 의해 활성화되는 컬러 표시기를 포함하는, 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 주형된 바디는 연마, 염색, 또는 둘 모두를 거치는, 방법.
  18. 하나 또는 복수의 주형된 바디를 제조하기 위한 방법으로서,
    a. 3D 인쇄 방법에 의해 미립자 재료를 반복적으로 적용함으로써 하나 또는 복수의 주형된 바디를 층들로 구성하는 단계;
    b. 상기 주형된 바디의 사전응고를 성취하기 위한 사전응고 단계;
    c. 응고되지 않은 미립자 재료가 상기 사전응고된 주형된 바디로부터 분리되는 언패킹 단계;
    d. 상기 사전응고된 주형된 바디를 불활성 재료로 다시-패킹하는(repacking) 단계; 및
    e. 상기 다시-패킹하는 단계 이후에, 상기 사전응고된 주형된 바디가 상기 불활성 재료에 의해 지지되는 동안 열 에너지의 작용으로 인해 자신의 최종 강도를 수용하는 최종 응고 단계를 포함하고,
    상기 미립자 재료는 베이스 재료와, 상기 사전응고 단계 및 상기 최종 응고 단계를 위한 하나 또는 복수의 재료들을 갖는 코팅 또는 케이싱을 포함하는, 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    두 개의 서로 다른 재료들이 상기 케이싱 또는 코팅에 포함되고, 여기서 하나의 재료는 상기 사전응고 단계에 이용되고 다른 하나의 재료는 상기 최종 응고 단계에 이용되는, 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 최종 응고 단계는 화학 반응을 포함하는, 방법.
KR1020157012337A 2012-10-12 2013-10-10 3d 멀티-스테이지 방법 KR102014836B1 (ko)

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