KR102050368B1 - 탄소섬유 필라멘트 절단 장치 - Google Patents

탄소섬유 필라멘트 절단 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 탄소섬유 필라멘트 절단 장치는, 중공의 케이싱(10); 상기 케이싱(10) 내에 수평한 상태로 배치되는 거치 플레이트(140) 상에 고정되는 동력 공급 모듈(20); 상기 동력 공급 모듈(20)에 이격된 상태로 상기 거치 플레이트(140) 상에서 수직한 방향으로 결합되는 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30); 및 상기 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)의 하부 상에 수평 방향을 따라 슬라이딩 가능하게 배치되는 슬라이딩 블럭(410) 및 상기 슬라이딩 블럭(410)의 하부 상에서 상기 케이싱(10) 상에서 요동 없이 고정 결합되는 하부 커터(430)를 포함하는 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40);을 포함한다.

Description

탄소섬유 필라멘트 절단 장치{Carbon fiber filament cutting apparatus}
본 발명은 3D 프린터용으로 제공되도록 고분자 복합재의 제조 방안을 제공하는 것으로서, 구체적으로는 탄소섬유를 포함하여 제조된 고분자 복합재를 3D 프린터 상에서 사용하기 위하여 적절한 크기로 절단할 수 있는 탄소섬유 필라멘트 절단 장치에 관한 것이다.
3차원의 물체를 성형할 수 있는 3D 프린터의 사용이 증대되고 있다. 이러한 3D 프린터의 제품성형방식은 광경화성 재료에 레이저 광선을 주사하여 광주사된 부분을 물체로 성형하는 방식, 성형재료를 절삭하여 성형하는 방식, 열가소성 고분자복합재를 용융하여 적층하는 방식(FDM 방식) 등이 있다.
이러한 방식 중에서 고분자복합재를 용융하여 적층하는 방식의 3D 프린터가 다른 방식의 3D 프린터에 비해 생산 단가가 저렴한데, 이러한 이유로 인해 고분자복합재를 이용하는 3D 프린터가 가정용, 공업용으로 대중화되고 있는 추세이다.
한편, 이러한 3D 프린터용 고분자복합재는 열가소성 수지로 이루어지는데, 상기 열가소성 수지로 폴리락트산(PLA) 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)이 사용될 수 있다.
ABS는 구입이 용이하고, 인장강도가 높으며 열에 강하고 PLA보다 작은 부품을 만들기에 용이하나 열수축 현상으로 인하여 성형이 다소어려우며, 친환경직이지 않아 가열시 냄새가 심하여 반드시 환기가 필요하다.
요즘에는 ABS 대신 인체 및 환경에 무해한 PLA가 고분자복합재 소재로 각광받고 있다. 그러나 인장강도가 낮은 단점 때문에 조형물이나 피규어 등 간단한 시제품 생산용으로만 사용되고 있다.
따라서, 현재 고강도 부품에 적용하기 위해서는 탄소 섬유 등을 조합한 상태에서 강도를 향상시킨 복합재료 개발이 필요한 실정이다.
기존의 한국등록특허 제10-1774941호(3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물 및 그 제조방법)를 참조하면, 3D 프린터 기술을 도입하여 자동차 경량화 부품을 제조하기 위한 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물을 제공하고자 하는 것으로서, 열가소성 수지에 대해 미리 정해진 양의 탄소 섬유가 혼합되어 기계적 물성과 성형성을 향상시킬 수 있고, 자동차용 또는 전자제품용 경량 부품의 제작에 필요한 비용과 시간을 절감할 수 있으며, 다품종, 다구조 소량 생산 시스템에 최적화한 복합 필라멘트 조성물에 관한 기술적 내용을 제공한다.
(특허문헌 1) KR 10-1774941 B
다양한 생산 방식을 통해 획득된 연속탄소섬유 필라멘트를 3D 프린팅 과정에서 사용하기 위해서는 연속탄소섬유 필라멘트를 절단하는 과정이 필요하게 되는데, 연속탄소섬유 필라멘트를 절단하여 적층하는 과정에서 품질의 저하가 발생한다는 문제가 있는바,
본 발명은 연속탄소섬유 필라멘트를 3D 프린터 상에서 사용하기 위하여 연속탄소섬유 필라멘트를 절단할 수 있는 탄소섬유 필라멘트 절단 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소섬유 필라멘트 절단 장치는, 중공의 케이싱(10); 상기 케이싱(10) 내에 수평한 상태로 배치되는 거치 플레이트(140) 상에 고정되는 동력 공급 모듈(20); 상기 동력 공급 모듈(20)에 이격된 상태로 상기 거치 플레이트(140) 상에서 수직한 방향으로 결합되는 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30); 및 상기 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)의 하부 상에 수평 방향을 따라 슬라이딩 가능하게 배치되는 슬라이딩 블럭(410) 및 상기 슬라이딩 블럭(410)의 하부 상에서 상기 케이싱(10) 상에서 요동 없이 고정 결합되는 하부 커터(430)를 포함하는 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40);을 포함한다.
상기 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)을 통해 탄소섬유 필라멘트가 공급되는 과정에서, 상기 동력 공급 모듈(20)은 상기 슬라이딩 블럭(410)을 상기 하부 커터(430)에 대해 일정한 시간 간격으로 슬라이딩 운동하도록 외력을 가하고, 상기 외력이 가해진 상부 커터(420)는 상기 동력 공급 모듈(20)에 의해 가해진 외력이 해제되는 경우에는 상기 케이싱(10)과 상기 상부 커터(420) 사이에 배치된 탄성 부재(50)를 통해서 원상복귀된다.
상기 동력 공급 모듈(20)은, 상기 거치 플레이트(140) 상에 고정되는 구동 모터(210), 상기 구동 모터(210)를 이루는 구동축 상에 회전 가능하게 결합되는 회전 캠(220) 및 상기 베이스 플레이트(120) 상에 배치된 상태에서 상기 회전 캠(220)의 캠 축을 회전 가능하게 고정하는 캠 지지블럭(230)을 포함하며, 상기 회전 캠(220)은 그 가장자리 외주연을 따라 길이가 상이한 복수의 회전 날개가 교번적으로 형성된다.
상기 케이싱(10)은, 상기 케이싱(10)의 외부면을 구성하는 커버(110), 상기 커버(110) 내부의 바닥면 상에서 상기 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40)을 지지하는 베이스 플레이트(120), 상기 베이스 플레이트(120)의 상부 양측 상에 배치되는 지지 블럭(130), 및 상기 지지 블럭(130)의 상단에 배치되는 상기 거치 플레이트(140)를 포함한다.
상기 슬라이딩 블럭(410)은 그 내부에 삽입 고정된 상부 커터(420)를 포함하고, 상기 상부 커터(420) 및 상기 하부 커터(430)는 상하부 방향을 따라 대칭적인 형태를 갖는다.
상술한 바와 같은 본 발명은 공급된 연속탄소섬유 필라멘트를 3D 프린터 상에서 적층 사용하기 위하여 연속탄소섬유 필라멘트를 안정적으로 절단하게 함으로써 3D 프린팅을 위한 연속탄소섬유 필라멘트를 적층하는 과정에서 품질의 저하가 발생하는 문제를 해소한다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유 필라멘트 절단 장치의 사시도를 보인다.
도 2는 도 1 상에서 필라멘트 절단 장치의 내부가 보이도록 메인 커버가 분리된 상태를 보인다.
도 3은 도 2에서 회전 캠에 의해 상부 커터의 슬라이딩 운동이 진행된 상태를 보이는 도면이다.
도 4는 본 발명을 구성하는 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈을 구체적으로 보이도록 하기 위한 도 2의 단면 상태를 보인다.
도 5는 도 4에서 회전 캠에 의해 상부 커터의 슬라이딩 운동이 진행된 상태를 보이는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 필라멘트 절단 장치를 설명한다.
탄소섬유 필라멘트 절단 장치는 중공의 케이싱(10), 케이싱(10) 내에 수평한 상태로 배치되는 거치 플레이트(140) 상에 고정되는 동력 공급 모듈(20), 동력 공급 모듈(20)에 이격된 상태로 거치 플레이트(140) 상에서 수직한 방향으로 관통 결합되는 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30), 및 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)의 하부 상에 배치되는 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40)을 포함한다.
상기 케이싱(10)은, 상기 케이싱(10)의 외부면을 구성하는 커버(110), 상기 커버(110) 내부의 바닥면 상에서 상기 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40)을 지지하는 베이스 플레이트(120), 상기 베이스 플레이트(120)의 상부 양측 상에 배치되는 지지 블럭(130), 및 상기 지지 블럭(130)의 상단에 배치되는 상기 거치 플레이트(140)를 포함한다.
상기 커버(110)는 케이싱(10)의 상부 및 상부를 중심으로 하여 상기 케이싱(10)의 마주보는 양측을 서로 연결하는 ㄷ 형상을 갇는 메인 커버(111) 및 상기 메인 커버(111)의 개방된 양측 상에 배치되는 서브 커버(116)를 포함한다. 상기 메인 커버(111) 상에는 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)의 상부가 노출되도록 커버 관통구(112)가 형성된다. 한편, 서브 커버(116)의 상부 양측은 모따기 형상으로 절단 가공됨과 동시에 상단은 메인 커버(111)와 결합부를 이루게 되는 절곡부(117)가 형성된다. 메인 커버(111) 상에 서브 커버(116)를 결합하는 과정에서는, 절곡부(117)를 메인 커버(111)의 상단 측부 상에 겹치게 한 상태에서 상기 메인 커버(111)와 절곡부(117)를 상호 관통하도록 결합 볼트 등을 이용하여 체결한다.
베이스 플레이트(120)는 알루미늄 재질의 AL6061을 채용할 수 있다. 상기 베이스 플레이트(120) 상에는 메인 커버 및 서브 커버의 결합을 가능하게 하도록 볼팅을 위한 다수의 체결홈이 형성된다.
지지 블럭(130)은 베이스 플레이트(120)의 상부 일측 상에 배치되는 제1 지지 블럭(132) 및 베이스 플레이트(120)의 상부 타측 상에 제1 지지 블럭(130)과 대향되도록 배치되는 제2 지지 블럭(134)을 포함한다. 지지 블럭(130)도 알루미늄 재질의 AL6061을 채용할 수 있다.
제1,2 지지 블럭(130) 중 어느 하나의 지지 블럭(130)과 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40) 사이에는 탄성 부재(50)가 배치된다. 일예로서, 제2 지지 블럭(134)의 측면에 형성된 스프링 홈 상에 탄성 부재(50)의 일측이 고정 설치되고, 상기 탄성 부재(50)의 타측은 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40)을 이루는 슬라이딩 블럭(410)에 연결된다.
상기 동력 공급 모듈(20)은, 거치 플레이트(140) 상에 고정되는 구동 모터(210), 구동 모터(210)를 이루는 구동축 상에 회전 가능하게 결합되는 회전 캠(220) 및 베이스 플레이트(120) 상에 배치된 상태에서 상기 회전 캠(220)의 캠 축을 회전 가능하게 고정하는 캠 지지블럭(230)을 포함한다.
상기 회전 캠(220)은 그 가장자리 외주연을 따라 길이가 상이한 복수의 회전 날개가 교번적으로 형성되는 구조를 갖는다. 즉, 복수의 회전 날개는 회전 캡의 중심축으로부터의 거리가 상이한 상태의 회전 날개들이 형성된다. 일예로서, 복수의 회전 날개는 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40)의 측면을 가압하여 슬라이딩 운동을 가능하게 하는 장축 날개 및 슬라이딩 이동된 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40)의 원복을 가능하게 하는 단축 날개를 포함한다.
탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40)은 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)의 하부 상에서 수평 방향을 따라 슬라이딩 가능하게 배치되는 슬라이딩 블럭(410), 상기 슬라이딩 블럭(410)의 하부 상에서 케이싱(10) 내에 요동 없이 고정 결합되는 하부 커터(430) 및 슬라이딩 블럭(410)의 양측 상에 배치되는 가이드 블럭(440)을 포함한다.
슬라이딩 블럭(410)은 그 내부에 삽입 고정된 상부 커터(420)를 포함한다. 상기 상부 커터(420) 및 하부 커터(430)는 상하부 방향을 따라 대칭적인 형태를 갖는다.
슬라이딩 블럭(410)은 직육면체 형상을 갖는 상태에서 하부 상에는 상부 커터(420)의 삽입 장착이 가능한 커터 홈이 형성되는 것과 동시에 상부 상에는 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)의 하단이 연결되는 필라멘트 공급홈이 형성된다. 상기 커터 홈은 상부 커터(420)의 형상에 부합하는 사각 형태의 홈일 수 있고, 필라멘트 공급홈은 원 형상을 가질 수 있다.
상기 슬라이딩 블럭(410)은 상기 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)과의 주기적인 직접 접촉을 통해 위치 변동이 가능하다. 구동 모터를 이루는 구동축 상에 회전 가능하게 결합되는 회전 캠(220)의 회전 시에, 슬라이딩 블럭의 일측 상에 장축 날개가 위치하는 경우에는 상기 슬라이딩 블럭을 탄성 부재(50) 측으로 미는 작용을 하게 된다. 상기 과정을 통해서 하부 커터(430)의 직상부에 배치된 상부 커터(420)는 슬라이딩하여 어긋나게 된다. 즉, 상부 커터(420)는 슬라이딩 블럭의 하단을 통해 내에 삽입 고정된 상태에서 상기 슬라이딩 블럭과 함께 슬라이딩 운동한다.
가이드 블럭(440)은 슬라이딩 블럭(410)의 이동 시에 베이스 플레이트(120)를 따라 안정적인 직선 운동을 가능하게 한다. 즉, 슬라이딩 블럭(410)의 양측 상에서 베이스 플레이트(120) 상에 한쌍의 가이드 블럭(440)이 고정된 상태를 갖는바, 이를 통해서 슬라이딩 블럭(410)은 직선 경로를 이탈하지 않은 상태에서 반복적으로 슬라이딩 운동을 한다. 한편, 가이드 블록(440)과 슬라이딩 블록(410) 간의 마찰을 방지하기 위해서 상기 가이드 블록(440)의 내측면 상에는 가이드 레일 및 가이드 레일에 내삽된 베어링을 구비하고, 상기 베어링을 통해 구름 운동을 통해 마찰을 최소화할 수 있다. 다른 한편으로는, 가이드 블록(440)과 슬라이딩 블록(410)을 마찰을 방지하는 재질을 선정할 수 있다.
상기 상부 커터(420) 및 하부 커터(430)는 상하부 방향을 따라 대칭적인 구조로 형성된다. 상하부 커터는 공히 직육면체 형상의 중공 블럭 형태를 갖는 것으로서, 상하부 방향을 따라 절단을 요하는 필라멘트의 이동이 가능하도록 소정 직경의 관통홀이 형성된다. 상하부 커터의 관통홀 상에는 공급된 필라멘트의 횡방향 절단을 가능하게 하도록 소정의 절단날이 배치된다.
탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)을 통해 탄소섬유 필라멘트를 하부 방향으로 소정 간격으로 공급한 상태에서, 슬라이딩 블록(410)을 통해 상부 커터(420)를 슬라이딩 운동하게 되면 하부 커터(430) 내에 절단된 필라멘트 필렛이 잔존한 상태에서 베이스 플레이트(120) 상에 형성된 배출 통로(122)를 통해 외부로 방출된다.
탄성 부재(50)는 제2 지지 블럭(134)의 측면에 형성된 스프링 홈 상에 일측이 고정 설치되고, 타측은 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40)을 이루는 슬라이딩 블럭(410)에 연결된다. 상기 탄성 부재(50)는 슬라이딩 블럭(410)을 따라 한쌍이 대칭적으로 나란히 배치되는 것일 수 있다.
한편, 캠 지지블럭(230)의 일측 상에는 슬라이딩 블럭(410)이 원복되는 과정에서 상기 캠 지지블럭(230)에의 충격 및 진동을 저감하게 하는 기능을 하도록 버퍼 부재(60)가 배치된다. 버퍼 부재(60)는 슬라이딩 블럭(410) 상에 배치가 되는 구조일 수도 있다.
상기 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)을 통해 탄소섬유 필라멘트가 공급되는 과정에서, 동력 공급 모듈(20)은 슬라이딩 블록(410)과 상부 커터(420)를 하부 커터(430)에 대해 일정한 시간 간격으로 슬라이딩 운동하도록 외력을 가하고, 외력이 가해진 슬라이딩 블럭(410)는 동력 공급 모듈(20)에 의해 가해진 외력이 해제되는 경우에는 케이싱(10)과 상부 커터(420) 사이에 배치된 탄성 부재(50)를 통해서 원상복귀된다.
본 발명 상에서 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)을 통해 공급되는 연속탄소섬유 필라멘트는 열가소성 수지와 강화 계면상이 형성되어 있는 탄소섬유를 혼합하여 인장강도, 인장 탄성률, 굴곡강도, 굴곡탄성률 등의 기계적 물성을 향상하게 한다.
연속탄소섬유 필라멘트는 (a) 탄소섬유를 전처리제에 침지하는 단계; (b) 상기 전처리된 탄소섬유를 건조하는 단계; 및 (c) 건조된 탄소섬유와 열가소성 수지를 혼합하는 단계를 포함하여 제조가 이루어진다.
상기 (a)단계는 탄소섬유를 표면처리하는 단계로 탄소섬유를 점처리제에 침지하여 수행된다. 상기 전처리제는 탄소섬유 표면을 식각하여 거칠기를 감소시키며, 산소관능기의 수를 증가시킬 수 있는 전처리제라면 제한 없이 사용 가능하지만, 바람직하게는 염산, 질산, 인산, 아세트산, 불산, 탄산수소암모늄(NH4HCO3) 및 탄산암모늄((NH4)2CO3)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 탄산수소 또는 탄산암모늄, 가장 바람직하게는 탄산수소암모늄을 사용할 수 있다.
또한, 산기 전처리제는 사용되는 전처리제의 종류, pH에 따라 적정한 농도를 선택하여 사용할 수 있지만 바람직하게는 0.1~1M, 더욱 바람직하게는 0.2~0.5M 가장 바람직하게는 0.3M의 농도를 선택하여 사용할 수 있다. 전처리제가 0.1M미만의 농도를 가지는 경우 전처리제 처리시간이 길어지거나, 전처리제에 의한 표면거칠기 감소 및 산소관능기 증가의 효과를 기대할 수 없으며, 0.3M을 초과하는 경우 전처리제의 용해도 문제로 전처리제 제조시 교반시간이 길어질 수 있으며, 세척시 잔류하는 전처리제에 의하여 탄소와 열가소성 고분자의 결합이 약해질 수 있다.
또한 상기 (a)단계는 0.7~7.0A/㎡의 전류밀도 하에서 수행되며 50~120초 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 0.75~6.82A/㎡의 전류밀도 하에서 80~110초간 수행될 수 있다. 전류밀도가 0.7A/㎡미만이거나 50미만의 시간동안 표면처리를 수행하는 경우 표면처리가 불량하여 표면거칠기 감소 및 산소관능기 증가의 효과를 기대할 수 없으며, 전류밀도가 7.0A/㎡를 초과하거나 120초를 초과하여 표면처리를 수행하는 경우 사용되는 전류량이 늘어나며 탄소섬유의 생산시간이 늘어나 경제성이 떨어지게 된다.
상기 (c) 단계는 탄소섬유와 열가소성 수지를 혼합하는 단계로 열가소성수지를 혼합할 수 있는 조건이라면 적절한 조건을 선택하여 수행할 수 있지만, 바람직하게는 230~310℃에서 수행될 수 있다. 상기 (c) 단계가 230℃미만에서 수행되는 경우 수지가 충분히 액상화 되지 않기 때문에 점도가 낮아지게 된다. 따라서, 압출기내의 수지는 경화되고 탄소섬유는 와인딩되는 현상이 발생하여 탄소섬유가 높은 장력을 받아 끊어지는 현상이 발생할 수 있다. 또한 상기와 같이 온도가 낮은 경우 점도의 감소로 인하여 필라멘트의 표면이 불균일해질 수 있다. 아울러 상기 (c) 단계가 310℃를 초과하여 수행되는 경우 수지의 점도가 높아져 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트의 직경이 규정치보다 감소할 수 있으며, 표면의 변색이 발생할 수 있다.
아울러 상기 (c) 단계는 2~10개의 온도구간을 가질 수 있다. 상기 (c) 단계가 일정온도에서 수행되는 경우 필라멘트의 내부와 외부의 온도차이가 발생하여 열가소성 수지의 압출시 표면에 불균일이 발생될 수 있다. 따라서 압출기 2~10단계의 온도구간을 이용하여 일정한 온도로 가열되도록 하는 것이 바람직하다. 이때 상기 온도구간은 230~310℃의 온도를 가질 수 있으며 바람직하게는 260~280℃의 온도를 가질 수 있다. 또한 상기 온도구간은 260℃의 온도로 시작하여 5~10℃씩 상승하여 280℃의 최고온도구간에 도달하며, 이후 5~10℃씩 하강하여 260℃에 도달하는 것이 가장 바람직하다.
상기 용융적층 3D프린터용 고분자 복합재는 상기 열가소성 수지 95 내지 99.99 중량부에 상기 탄소섬유 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 탄소섬유 0.07 내지 0.1중량부 일 수 있다. 상기 열가소성 수지 및 탄소섬유의 사용 범위를 초과하거나 미만일 경우, 상기 고분자 복합재를 압출시 탄소섬유가 묻어나오거나 기계적 물성이 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 또한 상기 탄소섬유는 필라멘트 단위 길이(1cm)당 1000~7000가닥, 바람직하게는 2000~4000가닥이 포함되는 것이 바람직하다. 1000가닥 미만으로 포함되는 경우 탄소섬유에 의한 물성개선을 기대할 수 없으며, 7000가닥을 초과하여 포함되는 경우 필라멘트가 섬유의 표면으로 노출되거나, 전성, 연성이 떨어질 수 있다.
상기 열가소성 수지는 가열하면 물러졌다가 냉각하면 다시 굳어지는 폴리에틸렌이나 폴리염화비닐과 같은 중합체를 의미한다. 이러한 물질은 가열에 의하여 여러 가지 형태로 모양을 바꿀 수 있다. 열을 가하여 성형한 뒤에도 다시 열을 가하면 형태를 변형시킬 수 있어 압출성형 또는 사출성형에 의해 능률적으로 가공할 수 있다. 열가소성 수지에는 결정성 열가소성수지와 비결정성 열가소성수지가 있는데, 결정성 열가소성 수지에는 폴리에틸렌, 나일론, 폴리아세탈수지 등이 포함되고 유백색이다. 비결정성 열가소성 수지에는 염화비닐 수지, 폴리스타이렌, ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene)수지, 아크릴수지 등의 투명한 것이 많다.
상기 열가소성 수지는 폴리 락트산(Poly lactic Acid, PLA), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile Butadien Styrene, ABS), 고밀도폴리에틸렌(HDPE), 저밀도폴리에틸렌(LDPE), 스티렌(Styrene), 폴리프로필렌(PP), 및 폴리카보네이트(PC)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. PLA(Poly lactic Acid)는 유산이라고 하는 생체 내 등에 존재하는 저분자량 화합물(모노머)의 중합체로 천연에는 존재하지 않는다. 일반적으로 물에 의해 가수분해돼 저분자화한 후 미생물에 의하여 분해된다고 알려져있다.
즉, PLA의 가장 큰 장점은 일반 플라스틱, 합성섬유와 달리 땅에서 분해될 수 있다. 때문에 최근 들어 플라스틱 요기 대체 소재로 각광받고 있다. 3D 프린트 원료 분야에서는 PLA 원료는 녹은 뒤 다시 식어서 다시 굳는 시간이 오래걸려 수축이 거의 일어나지 않는 장점이 있다. ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene)는 비결정성의 스틸렌계 열가소성 수지로, 내충격성, 강성, 유동성 등이 뛰어나며, 치수안정성, 성형가공성, 내약품성 등의 제반특성도 매우 뛰어나다.
상기 탄소섬유는 10 내지 1,000nm 두께의 강화 계면상을 가지는 것이 바람직하며, 상기 탄소섬유 100 중량부에 계면재료 0.5 내지 30 중량부를 포함하여 상기 강화 계면상을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 계면재료가 0.5 중량부를 미만일 경우, 강화 계면상의 형성이 어려우며, 30 중량부를 초과할 경우, 강화 계면상의 두께가 1,000nm를 초과할 수 있다.
상기 강화 계면상의 두께가 10nm 미만일 경우, 고분자 복합재의 기계적 물성이 감소하며, 상기 강화 계면상의 두께가 1,000nm를 초과할 경우, 상기 탄소섬유와 열가소성 수지의 혼합이 잘 이루어지지 않을 수 있다.
상기 계면 재료는 강인화제, 또는 이행제와 비상응성인 1개 이상의 성분을 함유하는 강인화제의 혼합물일 수 있다. 상기 강인화제는 엘라스토머, 분지 중합체, 초분지 중합체, 덴드리머, 고무상 중합체, 고무상 공중합체, 블록 공중합체, 코어-쉘 입자, 산화물 또는 무기 재료, 예를 들면 클레이, 다면체 올리고머실세스퀴옥산(POSS), 카본 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 섬유, 풀러렌과 같은 탄소질 재료, 세라믹 및 실리콘 카바이드를 포함하지만, 이들로 한정되지 않는다.
US 6894113(코트(Court) 외, Atofina, 2005)에 기재되어 있는 조성을 갖는 블록 공중합체의 예는 「Nanostrength(등록 상표)」SBM(폴리스티렌-폴리부타디엔-폴리메타크릴레이트) 및 MBM(폴리메타크릴레이트-폴리부틸아크릴레이트-폴리메타크릴레이트)를 포함하고, 양자 모두 Arkema에 의해 제조되고 있다. 다른 블록 공중합체는 Fortegra(등록 상표) 및 양친매성 블록 공중합체(Dow Chemical에 의한 US 7820760B2에 기재되어 있음)를 포함한다. 기지의 코어-쉘 입자의 예는, 코어-쉘(덴드리머) 입자[그 조성은 US 20100280151A1(응우옌(Nguyen) 외, 도레이 가부시키가이샤, 2010)에 기재되어 있고, 불포화 탄소-탄소 결합을 갖는 중합성 단량체로부터 중합된 코어 중합체에 아민 분지 중합체가 쉘로서 그래프트되어 있음]; 코어-쉘 고무상 입자[그 조성은 가부시키가이샤 가네카의 EP 1632533A1 및 EP 2123711A1에 기재되어 있고, 그러한 입자/에폭시 블렌드의 「KaneAce MX」 제품 계열은 그 입자가 중합성 단량체, 예를 들면 부타디엔, 스티렌, 다른 불포화 탄소-탄소 결합단량체, 또는 그들의 조합으로부터 중합된 중합체 코어, 및 에폭시와 상응성인 중합체 쉘, 일반적으로 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리글리시딜메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴 또는 동등물 및 유사물을 가짐]; JSR 가부시키가이샤에 의해 제조되고 있는 카르복실화 폴리스티렌/폴리디비닐벤젠의 「JSR SX」 시리즈; 부타디엔알킬메타크릴레이트스티렌 공중합체인 「Kureha paraloid」 EXL-2655(가부시키가이샤 쿠레하에 의해 제조됨); 각각 아크릴레이트메타크릴레이트 공중합체인 「Stafiloid」 AC-3355 및 TR-2122(양자 모두 다케다 야쿠힌코교 가부시키가이샤에 의해 제조됨); 각각 부틸아크릴레이트메틸메타크릴레이트 공중합체인 「PARALOID」 EXL-2611 및 EXL-3387(양자 모두 Rohm & Haas에 의해 제조됨)을 포함한다. 기지의 산화물 입자의 예는, nanoresins AG에 의해 제조되고 있는 Nanopox(등록 상표)를 포함한다. 이는 관능화 나노실리카 입자와 에폭시의 마스터 블렌드(master blend)이다.
계면 재료로서 사용되는 강인화제는 가부시키가이샤 가네카에 의한 Kane Ace MX 제품 계열에서 찾을 수 있는 코어-쉘 입자(예를 들면, MX416, MX125, MX156); 또는 Kane Ace MX 재료와 유사한 쉘 조성 또는 표면 화학을 갖는 재료; 또는 피착체의 표면 화학에 상응성이 있는 표면 화학(이는 재료가 피착체 부근으로 이동하여, 벌크 접착성 조성물보다 높은 농도를 갖는 것을 가능하게 함)을 갖는 재료와 같은 고무상 재료일 수 있다. 이들 코어-쉘 입자는 일반적으로 25%의 전형적 첨가량에서 에폭시 베이스 재료에 충분히 분산되고, 피착체에 대한 고성능접합용 접착성 조성물에 바로 사용할 수 있다.
계면 재료에 대한 이행제의 비율은 약 0.1 내지 약 30 또는 약 0.1 내지 약 20일 수 있다. 상기 이행제로는 폴리비닐포르말, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리아세탈, 폴리페닐렌옥시드, 폴리페닐렌술피드, 폴리아릴레이트, 폴리에스테르, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 페닐트리메틸인단 구조를 갖는 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리아라미드, 폴리에테르니트릴, 폴리벤즈이미다졸, 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 강화 계면상은 펌프, 컨트롤 시스템, 공급 건(dosing gun) 어셈블리, 원격 공급 장치 및 도포 건을 사용하는 스월(swirl) 기술, 스티밍법(steaming) 등 기계적 적용법을 이용하거나, 핫 멜트법을 이용하여 상기 탄소섬유에 형성될 수 있다.
상기 열가소성 수지와 상기 탄소섬유를 혼합시 혼합 스크류의 회전 속도는 15 내지 17 RPM일 수 있다. 상기 혼합 스크류의 회전 속도가 15 RPM 미만일 경우 고분자 복합재의 두께가 두꺼워져 프린팅시 막힘의 문제가 있을 수 있고, 17 RPM을 초과하는 경우 고분자 복합재의 두께가 얇아 프린터에 삽입되지 않는 문제가 있을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 3D 프린팅을 위한 연속탄소섬유 필라멘트를 적층하는 과정에서 품질의 저하가 발생한다는 문제를 해소하기 위하여 연속탄소섬유 필라멘트를 3D 프린터 상에서 사용하기 위하여 연속탄소섬유 필라멘트를 절단할 수 있게 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 중공의 케이싱(10);
    상기 케이싱(10) 내에 수평한 상태로 배치되는 거치 플레이트(140) 상에 고정되는 동력 공급 모듈(20);
    상기 동력 공급 모듈(20)에 이격된 상태로 상기 거치 플레이트(140) 상에서 수직한 방향으로 결합되는 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30); 및
    상기 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)의 하부 상에 수평 방향을 따라 슬라이딩 가능하게 배치되는 슬라이딩 블럭(410) 및 상기 슬라이딩 블럭(410)의 하부 상에서 상기 케이싱(10) 상에서 요동 없이 고정 결합되는 하부 커터(430)를 포함하는 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40);을 포함하고,
    상기 탄소섬유 필라멘트 공급 모듈(30)을 통해 탄소섬유 필라멘트가 공급되는 과정에서,
    상기 동력 공급 모듈(20)은 상기 슬라이딩 블럭(410)을 상기 하부 커터(430)에 대해 일정한 시간 간격으로 슬라이딩 운동하도록 외력을 가하고, 상기 외력이 가해진 상부 커터(420)는 상기 동력 공급 모듈(20)에 의해 가해진 외력이 해제되는 경우에는 상기 케이싱(10)과 상기 상부 커터(420) 사이에 배치된 탄성 부재(50)를 통해서 원상복귀되는 것을 특징으로 하는,
    탄소섬유 필라멘트 절단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동력 공급 모듈(20)은,
    상기 거치 플레이트(140) 상에 고정되는 구동 모터(210), 상기 구동 모터(210)를 이루는 구동축 상에 회전 가능하게 결합되는 회전 캠(220) 및 상기 케이싱(10)의 하부 바닥면에 배치된 상태에서 상기 회전 캠(220)의 캠 축을 회전 가능하게 고정하는 캠 지지블럭(230)을 포함하며,
    상기 회전 캠(220)은 그 가장자리 외주연을 따라 길이가 상이한 복수의 회전 날개가 교번적으로 형성되는,
    탄소섬유 필라멘트 절단 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 케이싱(10)은,
    상기 케이싱(10)의 외부면을 구성하는 커버(110), 상기 커버(110) 내부의 바닥면 상에서 상기 탄소섬유 필라멘트 절단 모듈(40)을 지지하는 베이스 플레이트(120), 상기 베이스 플레이트(120)의 상부 양측 상에 배치되는 지지 블럭(130), 및 상기 지지 블럭(130)의 상단에 배치되는 상기 거치 플레이트(140)를 포함하는,
    탄소섬유 필라멘트 절단 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 슬라이딩 블럭(410)은 그 내부에 삽입 고정된 상부 커터(420)를 포함하고, 상기 상부 커터(420) 및 상기 하부 커터(430)는 상하부 방향을 따라 대칭적인 형태를 갖는,
    탄소섬유 필라멘트 절단 장치.
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