KR102138490B1 - 알루미나를 주성분으로 한 fdm 3d 프린터용 조성물 - Google Patents

알루미나를 주성분으로 한 fdm 3d 프린터용 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹 분말 및 바인더를 포함하는 페이스트 형태의 FDM 3D 프린터용 조성물로써, 페이스트 형태로 FDM 3D 프린터에 주입되어 용융 과정 없이 빠르게 성형품을 제작할 수 있고, 압축강도 향상을 필요로 하는 다양한 기하학적 구조를 정밀하게 구현할 수 있다.

Description

알루미나를 주성분으로 한 FDM 3D 프린터용 조성물{Composition for FDM 3D printer based on alumina}
본 발명은 FDM 3D 프린터용 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미나를 주성분으로 하여 생체이식 가능하고 다양한 기하학적 구조로 성형 가능한 FDM 3D 프린터용 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 3D 프린팅 기술은 기본적으로 3차원 디지털 모델을 기반으로 한다. 3차원 디지털 모델은 CAD를 통해 생성되기도 하며, 디지털 스캐너를 통해 획득되기도 한다. 3D 프린팅 방식은 총 7가지 방식으로 나누어지며, 각각 광중합 방식 (Photopolymerization, PP), 재료 압출 방식 (Material Extrusion, ME), 접착제 분사 방식 (Binder Jetting, BJ), 재료분사 방식 (Material Jetting, MJ), 고에너지 직접 조사 방식 (Direct Energy Deposition, DED), 분말 적층 용융 방식 (Powder Bed Fusion, PBF), 시트 적층 방식 (Sheet Lamination, SL)이 있다.
대표적으로 많이 사용되고 있는 3D 프린팅 방식인 FDM(Fused direct deposition)은 재료분사 방식에 속하며, 이는 고체 필라멘트 원료에 고온의 열을 가하여 용융된 상태에서 노즐을 통해 사출하는 방식이다.
이러한 종래기술의 FDM 3D 프린팅 방식은 고체상태의 필라멘트를 용융하는데 시간이 필요하므로 프린팅에 소요되는 시간이 길다. 또한, 고체상태의 필라멘트의 내부 중심은 외측과 다르게 완전히 용융되지 않아 사출에 장애를 일으킨다.
생체내 이식을 위한 FDM 3D 프린터의 원료로써 생체적합성과 강성이 높은 세라믹 소재를 사용해야 하는데, 종래기술의 FDM 3D 프린팅 방식으로 세라믹을 포함한 고체상태의 필라멘트를 용융하기 위해서는 더 많은 시간이 소요되고, 사출 장애 문제도 더욱 빈번하게 발생하는 어려움이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 출원인은 대한민국 등록특허 제1912839호에서, 유동성과 흐름성을 갖는 페이스트 형태의 FDM 3D 프린터용 조성물을 개시한 바가 있다. 이는 종래의 고체 상태의 필라멘트를 페이스트로 변경하여 FDM 3D 프린터의 사출 장애 문제를 해결하였고 프린팅 속도를 향상시켰다.
다만, 대한민국 등록특허 제1912839호는 CaO 및 SiO2를 주성분으로 한 성형품을 1000℃에서 소결하여 최고 압축강도가 2,129N인 생체 이식용 재료를 개시하고 있으나, 생체에는 이식 부위별로 요구 강도가 서로 다르다. 예컨대 대퇴골, 발목 관절과 같은 주요 골격에는 3,000N 이상의 압축강도가 요구된다.
보다 강도 높은 이식 재료를 개발하기 위해서는 종래기술의 소재에 국한되어 있던 한계물성을 뛰어 넘어야 하므로, 새로운 소재 개발이 선행되어야 한다. 물론, 후보 소재는 앞서 설명한 바와 같이, FDM 3D 프린팅의 사출 요건 및 사출 후 소결이 완료될 때까지 미세하고 정밀하게 프린팅된 형상을 그대로 유지할 수 있어야 한다.
대한민국등록특허 제1912839호, FDM 3D 프린터용 조성물
본 발명자들은 강도를 향상시키기 위해, 다년간 연구 끝에 알루미나를 주성분으로 한 세라믹 소재를 사용하여 용융과정 없이도 신속하게 3D 프린팅 가능한 FDM 3D 프린터용 조성물을 개발하였다. 알루미나를 주성분으로 한 세라믹 및 바인더를 혼합하여 제조된 FDM 3D 프린터용 조성물은 유동성, 흐름성 및 점성을 가진 페이스트 형태를 가짐으로써, 용융 과정 없이도 신속하게 3D 성형품을 제작할 수 있고, 소결과정을 통해 3,000N 이상의 압축강도를 나타내는 성형품을 제조할 수 있음을 밝혀냈다.
따라서, 본 발명의 목적은 압축강도를 향상시키되, 사출이 용이하고 용융과정 없이 신속하게 알루미나 소재의 성형품을 제작할 수 있으면서, 의료/치과/바이오 분야에 적용 가능하도록 다양한 기하학적 구조를 정밀하게 구현할 수 있는 FDM 3D 프린터용 조성물을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 FDM 3D 프린터용 조성물은 알루미나(Al2O3)를 주성분으로 하는 세라믹 분말 및 바인더를 포함하고, 유동성, 흐름성 및 점성을 갖는 페이스트 형태이다.
상기 세라믹 분말은 알루미나를 85중량% 이상 함유할 수 있고, 추가적으로 Si, Fe, Na, Mg, Cu 및 이들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 세라믹 분말과 바인더의 혼합비가 중량비로 5~3:7~5일 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 성형품은 앞서 설명한 FDM 3D 프린터용 조성물이 FDM 3D 프린터에 의해 사출된 후 소결됨으로써 제조된다. 소결 공정의 조건에 따라 성형품의 강도는 변화하는데, 상기 소결 공정은 1분당 2℃ 이하의 온도로 점진적으로 상승시켜 최고점 온도 1,650℃ 이상에 도달한 후, 최고점 온도가 유지된 상태에서 360~1,440분간 소결되어 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 FDM 3D 프린터용 조성물은 사출이 용이하고, 용융과정 없이 신속하게 세라믹 소재의 3D 성형품을 제작할 수 있으며, 다양한 기하학적 구조를 정밀하게 구현할 수 있어 의료/치과/바이오 분야에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 FDM 3D 프린터용 조성물을 사용하여 3,000N 이상의 강도를 가진 성형품을 제작할 수 있다.
본 발명은 유동성, 흐름성 및 점성을 갖는 페이스트(Paste) 형태로 FDM 3D 프린터에 공급되는 FDM 3D 프린터용 조성물이고, 상기 FDM 3D 프린터용 조성물은 알루미나를 주성분으로 한 세라믹 분말 및 바인더를 포함한다.
이하에서 설명하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린터라 함은, 현재 상용되고 있는 FDM 3D 프린터 및 FFF(Fused Filament Fabrication) 3D 프린터를 포함하되, 용융 과정 없이 원료를 사출 및 적층하여 입체 성형품을 제작하는 3D 프린터를 가리킨다. 다만 상용되고 있는 FDM 및 FFF 3D 프린터는 고체 상태의 필라멘트를 원료로 사용하지만, 본 발명에 따른 FDM 3D 프린터용 조성물은 유동성, 흐름성 및 점성을 갖는 페이스트 형태이다. 즉, 본 발명에 따른 FDM 3D 프린터 조성물은 사출이 가능한 3D 프린팅 장비라면 그 명칭을 불문하고 모두 적용될 수 있으므로, 상용되고 있는 FDM 및 FFF 3D 프린터에도 사용 가능하다.
세라믹 분말은 압축강도를 향상시키기 위해서 알루미나를 주성분으로 한다. 세라믹 분말은 알루미나 85중량% 이상 함유되는 것이 강도를 향상시키는데 바람직하며, 더욱 바람직하게는 95중량% 이상 함유될 수 있다. 알루미나는 생체 안정성, 저마찰, 윤활특성이 높으며, 소결을 통해 우수한 강도를 가질 수 있다.
세라믹 분말에는 생체 이식 부위의 요구 특성을 고려하여, Si, Fe, Na, Mg, Cu 및 이들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 Si 또는 이의 산화물은 투명성과 점도, 내구성, 낮은 융합 온도, 전체 조성물의 안정화에 기여할 수 있다. Mg 또는 이의 산화물은 열적 변성에 대한 내구성을 높이기 위해 세라믹 분말에 첨가될 수 있다. 세라믹 분말에는 Fe, Na, Cu 및 이의 산화물이 미량 첨가될 수 있다. 세라믹 분말에 알루미나 이외의 소량 첨가되는 금속 또는 금속산화물은 생체 거부 반응, 후술할 소결 공정 조건과 맞물려 최종 성형품의 강도를 향상시키기 위해서, 세라믹 분말의 전체 중량에 대하여 15중량% 이하 첨가되는 것이 바람직하고, 5% 이하로 첨가되는 것이 더욱 바람직하다.
바인더는 미세한 세라믹 분말을 서로 결합시켜 응집 및 점성을 갖게 하는 한편, FDM 3D 프린터용 조성물에 유동성과 흐름성을 부여하여 사출을 용이하게 한다. 즉, 본 발명의 FDM 3D 프린터용 조성물이 페이스트 형태를 유지하기 위해 바인더를 사용하는 것이나, FDM 3D 프린터용 조성물이 페이스트 형태를 가질 경우, FDM 3D 프린터에 의해 사출이 완료된 후 형태가 무너지거나 변형되기 쉽고, 차후 점진적으로 온도를 상승시키는 소결 과정에서도 형태가 무너지거나 압축강도를 약화할 수 있다.
이러한 문제는, 세라믹 분말과 혼합되는 바인더의 함량을 조절함으로써 해결할 수 있었다. 구체적인 예로써, 바인더는 결합제 및 용매를 포함할 수 있다.
상기 결합제는 sugars, gelatine, dibasic calcium phosphate, corn (maize) starch, pregelatinized starch, acacia, xanthan gum, tragacanth, gelatine, alginic acid, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinylcaprolactam, polymethacrylates, polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylpyrrolidone- vinyl acetate (PVP-VA), polyvinylcaprolactam-polyvinyl acetate-polyethylene glycol, methacrylic acid-ethylacrylate, polyvinyl acetate, hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose (HPC), hydroxyethyl cellulose (HEC), sodium carboxy methyl cellulose 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 알루미나 분말의 결합이 용이하게 이루어지도록 셀룰로오스 계열의 HPMC를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
HPMC는 후술할 용매와 혼합되어 FDM 3D 프린터용 조성물의 유동성 및 점성의 조절에 용이하다. 또한, 상기 HPMC는 3D 프린팅 후 소결 과정에서 쉽게 소결이 가능할 뿐만 아니라 소결이 서서히 이루어져 성형품의 사출된 형태를 손상시키지 않을 수 있다.
HPMC는 상기 바인더의 총중량에 대하여, 0.5~5중량%인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다. 상기 HPMC가 바인더의 총중량에 대하여, 0.5중량% 미만일 경우 상기 세라믹 분말이 서로 혼합 및 결합이 잘 이루어지지 않거나 FDM 3D 프린터용 조성물의 유동성이 커져 사출 후 성형품의 형태를 유지하기 어렵고, 5중량% 초과할 경우 소결 공정 시 모두 제거되지 않거나 3D 성형품의 강도를 낮출 수 있다.
상기 용매는 물 및 C1 내지 C4의 알코올 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 물 및 에탄올이 혼합된 용매를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 세라믹 분말과 바인더의 혼합비가 중량비로 3~9:1~7일 수 있으며, 바람직하게는 5~7:3~5이나, 이에 제한되지 않는다. 상기 세라믹 분말과 바인더의 혼합은 해당 범위 내의 혼합비를 사용할 경우, 상기 FDM 3D 프린터용 조성물의 사출 시에 유동성 및 흐름성을 향상시켜 사출이 용이하면서도, 사출 후 적층된 형태가 고정 및 유지될 수 있도록 점성을 가질 수 있다. 또한, 소결 과정에서도 형태를 그대로 유지하여 고강도의 정밀한 형태의 성형품을 제조할 수 있다.
이에 따라, 상기 세라믹 분말과 바인더의 혼합비는 상기 FDM 3D 프린터용 조성물의 점성 및 유동성에 영향을 미치므로, 상기 혼합비를 사용하여 상기 FDM 3D 프린터용 조성물의 사출 용이성을 높이고, 또한 각각 사출된 1차원 레이어(Layer) 사이에 공극을 줄여 최종 3차원 성형품에 완성도를 높일 수 있다. 이에 다양한 기하학적 구조를 정밀하게 구현된 3차원 성형품을 제조할 수 있어 의료/치과/바이오 분야에 적용될 수 있다.
본 발명의 FDM 3D 프린터용 조성물을 원료로 FDM 3D 프린터를 사용하여 성형품을 제조하는 구체적인 예를 설명하면, 우선 제1 용기에 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹 분말을 고르게 분산되도록 혼합한다. 제2 용기에 용매에 결합제를 투여한 후, 결합제가 용매상에 용해될 수 있도록 혼합한다. 제2 용기에 제1 용기의 세라믹 분말을 투입하여 서서히 혼합하여, 페이스트 형태의 FDM 3D 프린터용 조성물을 획득한다.
FDM 3D 프린터에 원료인 FDM 3D 프린터용 조성물을 공급하기 위해, 관로를 설치하였다. 본 발명의 FDM 3D 프린터용 조성물은 페이스트 형태를 가지므로, FDM 3D 프린터의 노즐에 관로를 연결하였다. FDM 3D 프린터용 조성물은 페이스트 형태이므로, 별도 열을 가하는 용융 과정이 불필요하여 노즐에 가열장치를 가동하지 않았다.
FDM 3D 프린터는 상기 FDM 3D 프린터용 조성물을 한층-한층 사출 및 적층하여 성형품의 제조한다. 이때, 상기 3D 프린팅 과정은 층 쌓기(layer-by layer) 방식으로 계속 쌓아 올려 3차원 제품을 제작하는 것으로, 이를 이용하여 복잡한 형상 및 미세한 크기의 3D 성형품을 제조할 수 있다. 사출은 XYZ 세가지 방향으로 위치 조절되는 3차원 이송기구에 탑재된 노즐에서 수행된다. 상기 3차원 이송기구는 3차원 프로그램으로부터 산출된 경로에 따라 자유 이동하며, 프린팅 속도, 노즐의 위치 등의 공정 변수들은 3차원 프로그램에 의해 실시간으로 제어될 수 있다. 사출에 의해 2차원 평면형태를 만들면서 작업대 상에 FDM 3D 프린터용 조성물이 한 층씩 적층되며, 3차원 형상의 제품 즉, 성형품을 제조할 수 있다.
FDM 3D 프린터에 의해 사출된 성형품은 소결 공정을 통해 최종 완제된 성형품이 된다. 소결은 사출된 성형품을 고온으로 가열하여, 성형품에 남아 있는 용매, 결합제를 증발 및 산화시키고 세라믹을 결정화시켜 고유의 강도와 경도를 증진시키는 과정이다.
소결 온도 및 공정은 세라믹 분말의 종류와 함량에 따라 고유한 유리전이온도를 고려하여 선택될 수 있다. 다만, 본 발명의 FDM 3D 프린터용 조성물은 알루미나를 주성분으로 하고, 용매와 결합제가 다량으로 함유된 페이스트 형태이므로, 점진적으로 온도를 상승시키는 소결 공정을 거쳐야 하고, 소결된 후에도 사출된 형태를 그대로 유지되어야 한다. 또한, 소결 공정의 온도 및 시간 조건에 따라 성형품의 강도가 결정되므로, 강도 향상에 적합한 균일한 공정 조건이 확립되어야 한다.
구체적으로, 알루미나를 주성분으로 한 성형품의 경우, 상기 소결 공정은 1분당 2℃ 이하의 온도로 점진적으로 상승시켜 최고점 온도 1,650℃ 이상에 도달한 후, 최고점 온도가 유지된 상태에서 360~1,440분간 소결되어 제조될 수 있다.
급격한 온도 변화는 바인더의 급격한 증발 및 산화에 의해 소결 후 성형품의 형태가 무너지거나 강도를 떨어진다. 또한, 소결 공정의 최고점 온도는 최종 성형품의 강도에 영향을 미치는데, 통상의 경조직 대체재로 사용되는 소재는 800℃~1,200℃에서 소결이 이루어지나, 알루미나를 소재로 5,000N 이상의 강도를 갖는 성형품을 획득하기 위해서는 1,650℃ 이상에서 소결되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직한 최고점의 온도는 1,750℃ 이상이다.
아울러, 최고점 온도까지의 온도 상승 변화와 최고점 온도를 조절하면 알루미나 소재의 성형품의 압축강도를 조절할 수 있는데, 예컨대, 온도 변화가 1분당 2℃를 초과하여 상승 또는 하강하는 경우, 알루미나의 결정화 과정에서 충분한 강도가 형성되지 못하고, 성형품의 형태가 변형될 수 있다. 성형품의 압축강도를 8,000N 이상으로 향상시키기 위해서는 최고점 온도를 1750℃ 이상으로 설정하되, 최고점 온도까지 온도 상승율을 1분당 1℃ 이하로 설정할 수 있다. 성형품의 압축강도를 9,000N 이상으로 향상시키기 위해서는 최고점 온도를 1750℃ 이상으로 설정하되, 최고점 온도까지 온도 상승율을 1분당 0.5℃ 이하로 설정할 수 있다.
최고점 온도를 유지하는 시간이 알루미나의 결정화 과정에서 압축강도에 영향을 주는데, 바람직하게는 최고점 온도를 360~1,440분간 유지하는 소결과정이 바람직하며, 압축강도 향상을 위해 더욱 바람직하게는 1,400~1,440분간 유지하는 소결과정을 진행할 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
하기 [표 1]과 같은 조성으로 FDM 3D 프린터용 조성물을 제조하였다.
구분 성분 실시예1 실시예2 비교예1 비교예2
세라믹
분말		 Al2O3 52.62 60 20 68.54
Si 1.56 - - 2.51
Fe 2.1 - - 3.54
Na 2.64 - - 3.57
Mg 0.54 - - 0.92
Cu 0.54 - - 0.92
바인더 HPMC 1.2 1.2 2.4 0.4
에탄올 12 12 24 6
물 26.8 26.8 53.6 13.6
비고 상기 표의 수치값은 FDM 3D 프린터용 조성물의 전체 중량%에 대한 상대적 중량%를 가리킨다.
<실시예 1>
먼저, 표 1에 기재된 함량대로 건조된 분말상태의 Al2O3, Si, Fe, Na, Mg, Cu를 용기에 넣고, 혼합하여 세라믹 분말을 제조하였다. 다른 용기에 표 1에 기재된 함량대로 준비된 에탄올과 물의 혼합 용매에 HPMC를 투입한 후, 이를 혼합하여 바인더를 제조하였다.
세라믹 분말을 바인더가 든 용기에 투여 및 혼합하였다. 그 결과, 유동성, 흐름성 및 점성을 갖는 페이스트 형태의 FDM 3D 프린터용 조성물을 제조하였다.
<실시예 2>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 세라믹 분말로써 Si, Fe, Na, Mg, Cu를 사용하지 않고, Al2O3만을 사용하여 FDM 3D 프리터용 조성물을 제조하였다. 아울러 바인더의 함량은 40중량%로 실시예 1과 동일하다.
<비교예 1>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 표 1에 기재된 바와 같이 바인더의 함량을 80중량%로 증가하였고, 세라믹 분말을 Al2O3만을 사용하였으며 세라믹 분말의 함량을 20%로 줄여 FDM 3D 프린터용 조성물을 제조하였다.
<비교예 2>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 표 1에 기재된 바와 같이 바인더의 함량을 20중량%로 줄이고, 세라믹 함량을 80%로 증가시켜 FDM 3D 프린터용 조성물을 제조하였다.
실험예 1: 점성
알루미나를 주성분으로 한 FDM 3D 프린터용 조성물은 한층-한층 여러 층이 적층되어 제작하고자 하는 정밀한 형상을 만든다. 따라서, 사출된 일정한 형태를 유지하기 위해서는 점성이 필요하다. 알루미늄을 소재로 한 실시예와 비교예의 점성을 확인하고자 아래와 같이 실험하였다.
실시예 1, 2, 비교예 1 및 2를 용기에 담았고, 이들의 일부를 취하여 직경 5cm 플라스크에 옮겨 수직으로 세워 플라스크 하단에 조성물이 가라 앉을 때까지 두었다.
다음으로, 플라스크를 뒤집어 점성을 확인한 결과, 표 1과 같다. 하기 표 1의 점성 확인 결과는 플라스크를 뒤집은 시점으로부터 1분 경과한 뒤의 플라스크 안의 실시예와 비교예의 위치와 형태를 확인한 것이다.
구분 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
점성
확인		 플라스크의 벽면에 붙어 플라스크를 뒤집기 전 형태와 위치를 그대로 유지함 플라스크의 벽면을 따라 흘러 형태를 유지하지 못함 바인더에 희석되지 못한 세라믹 분말이 존재하고, 분말 상태로 떨어짐
비교예 1 및 2는 점성이 떨어지거나, 세라믹 분말이 완전히 바인더에 의해 희석 또는 결합되지 않아 FDM 3D 프린터용 조성물로 활용이 불가능하였으나, 실시예 1 및 2는 활용 가능한 것을 확인하였다.
실험예 2: 3D 프린팅
FDM 3D 프린터를 사용하여 실시예와 비교예의 원료를 사출함으로써 성형품을 제작하고자 하였다. FDM 3D 프린터는 자체 제작된 대한민국 등록특허 제1912839호에 기재된 장비를 사용하였다.
비교예 2의 경우, 사출장애로 인하여 FDM 3D 프린터로 사출이 불가능하였다. 실시예 1, 2 및 비교예 1의 조성물을 사용하여 FDM 3D 프린터로 프린팅하였고, 그 결과 비교예 1은 다층으로 적층하면 할수록 상층부의 조성물이 흘러내리거나 무너져 성형품의 제작이 불가능하였다.
실시예 1 및 2는 사출된 1층뿐만 아니라, 20층을 적층한 상태에서도 형태가 흘러내리거나 무너지지 않았고, 정밀한 기하학적 구조를 가진 성형품을 제작할 수 있었다. 아울러, 실시예 1 및 2는 자체 제작된 FDM 3D 프린터로 사출 시 사출장애가 발생되지 않았다.
실험예 3: 소결 및 성형품의 압축강도
앞서 확인한 실험예를 통해, 알루미나를 소재로 한 실시예와 비교예가 FDM 3D 프린터용 조성물로 활용될 수 있음을 확인하였다. 나아가, 소결을 통해 3,000N 이상의 압축강도를 가질 수 있는 성형품을 제작할 수 있는지 확인하고자 한다.
소결 공정은 아래 표 3 및 표 4와 같이 6개 공정으로 구분하였으며, 실험예 2에서 프린팅된 성형품(실시예 1)을 6개 제작하여 각 공정의 조건별로 소결하였다.
Step 온도 실험예 3-1 실험예 3-2 실험예 3-3
소요시간(분) 분당
온도변화		 소요시간(분) 분당
온도변화		 소요시간(분) 분당
온도변화
1 0->400℃ 800 +0.5℃ 800 +0.5℃ 400 +1℃
2 400℃ 유지 60 유지 60 유지 60 유지
3 400->500℃ 200 +0.5℃ 200 +0.5℃ 100 +1℃
4 500℃ 유지 60 유지 60 유지 60 유지
5 500->600℃ 200 +0.5℃ 200 +0.5℃ 100 +1℃
6 600℃ 유지 300 유지 300 유지 300 유지
7 600->1400℃ 800 +1℃ 1600 +0.5℃ 400 +2℃
8 1400℃ 유지 60 유지 60 유지 60 유지
9 1400->1650℃ 500 +0.5℃ 1000 +0.25℃ 250 +1℃
10 1650℃ 유지 1440 유지 1440 유지 1440 유지
11 1650->1400℃ 500 -0.5℃ 1000 -0.25℃ 250 -1℃
12 1400->600℃ 800 -1℃ 1600 -0.5℃ 400 -2℃
13 600℃->0 600 -1℃ 600 -1℃ 300 -2℃
Step 온도 실험예 3-4 실험예 3-5 실험예 3-6
소요시간(분) 분당
온도변화		 소요시간(분) 분당
온도변화		 소요시간(분) 분당
온도변화
1 0->400℃ 800 +0.5℃ 800 +0.5℃ 400 +1℃
2 400℃ 유지 60 유지 60 유지 60 유지
3 400->500℃ 200 +0.5℃ 200 +0.5℃ 100 +1℃
4 500℃ 유지 60 유지 60 유지 60 유지
5 500->600℃ 200 +0.5℃ 200 +0.5℃ 100 +1℃
6 600℃ 유지 300 유지 300 유지 300 유지
7 600->1400℃ 800 +1℃ 1600 +0.5℃ 400 +2℃
8 1400℃ 유지 60 유지 60 유지 60 유지
9 1400->1750℃ 700 +0.5℃ 1400 +0.25℃ 350 +1℃
10 1750℃ 유지 720 유지 1440 유지 360 유지
11 1750->1400℃ 500 -0.7℃ 1000 -0.35℃ 250 -1.4℃
12 1400->600℃ 800 -1℃ 1600 -0.5℃ 400 -2℃
13 600℃->0 300 -2℃ 600 -1℃ 300 -2℃
[표 3]의 실험예 3-1 내지 3-3과, [표 4]의 실험예 3-4 내지 3-6의 차이는 최고점의 온도가 다르다. [표 3]의 실험예는 최고점의 온도가 1,650℃이고, [표 4]의 실험예는 최고점의 온도가 1,750℃이다.
[표 3]의 실험예 3-1 내지 3-3을 비교하면, 실험예 3-1은 최고점 온도까지 모든 Step에서 분당온도변화가 +1℃ 이하이고, 실험예 3-2는 모든 Step에서 분당온도변화가 +0.5℃ 이하이며, 실험예 3-3은 모든 Step에서 분당온도변화가 +2℃ 이하이다.
[표 4]의 실험예 3-4 내지 3-6을 비교하면, 실험예 3-4는 최고점 온도까지 모든 Step에서 분당온도변화가 +1℃ 이하이고, 실험예 3-5는 모든 Step에서 분당온도변화가 +0.5℃ 이하이며, 실험예 3-6은 모든 Step에서 분당온도변화가 +2℃ 이하이다. 아울러, 표 4의 실험예들은 서로 최고점의 온도에서 유지 시간이 상이하다.
실험예 3-1 내지 3-6의 압축강도를 측정한 결과, 아래 [표 5]와 같다. 압축강도의 측정은 아래와 같은 방법으로 수행하였다.
10 mm X 10 mm X 10mm 크기의 성형품을 취하여, KSL 1601 압축강도 시험방법에 따라 압축강도를 시험하였다. 압축강도 측정에 사용한 기기는 Instron社의 Instron 5582를 사용하였다.
실험예 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6
압축강도(N) 3,309 3,508 3,010 8,607 9,728 5,052
상기 실험예의 성형품은 모두 압축강도가 3,000N 이상을 가짐을 확인하였다. 즉 알루미나를 소재로한 FDM 3D 프린터용 조성물을 사용하여 성형품을 제작하고, 소결하되 1,650℃를 최고점 온도로 하며, 온도 상승 구간의 모든 Step에서 분당온도변화를 +2℃ 이하로 진행할 경우 압축강도가 3,000N을 넘는 우수한 강도의 성형품을 획득할 수 있었다.
또한, 분당온도변화를 +2℃ 이하로 동일하게 하되, 소결공정의 최고점 온도를 1,750℃로 다소 높이면, 성형품의 압축강도가 5,000N 이상으로 급격히 향상됨을 알 수 있었다.
소결공정의 최고점 온도를 1,750℃로 설정하고, 온도 상승 구간의 모든 Step에서 분당온도변화를 +1℃ 이하로 진행할 경우 압축강도가 8,607N으로 향상되고, 온도 상승 구간의 모든 Step에서 분당온도변화를 +0.5℃ 이하로 진행할 경우 압축강도가 9,728N으로 향상되는 것을 확인하였다.
이와 같이, 본 발명의 알루미나를 소재로한 FDM 3D 프린터용 조성물은 용융과정 없이도 FDM 3D 프린터를 통해 정밀한 구조의 성형품을 사출장애 없이 빠르게 제작할 수 있고, 이에 의해 제조된 성형품은 소결 공정을 통해 3,000N 이상의 우수한 압축강도를 갖는다.

Claims (9)

  1. 알루미나(Al2O3)를 85중량% 이상 함유하고, Si, Fe, Na, Mg, Cu 및 이들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 15중량% 이하로 함유하는 세라믹 분말; 및
    바인더를 포함하는 페이스트 형태의 FDM 3D 프린터용 조성물에 의해 제조된 성형품으로써,
    상기 FDM 3D 프린터용 조성물은 세라믹 분말과 바인더의 혼합비가 중량비로 5~7:3~5이고,
    상기 성형품은 FDM 3D 프린터에 의해 사출된 후, 소결 공정을 거쳐 제조되되,
    상기 소결 공정은 1분당 2℃ 이하의 온도로 점진적으로 상승시켜 최고점 온도 1,650℃ 이상에 도달한 후, 최고점 온도가 유지된 상태에서 360~1,440분간 소결되어 제조된 것을 특징으로 하는 성형품.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 최고점 온도는 1,700℃~1,800℃이고, 최고점 온도가 유지된 상태에서 1,400~1440분간 소결되어 제조된 것을 특징으로 하는 성형품.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 성형품은 압축강도가 3,000N 이상인 것을 특징으로 하는 성형품.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 성형품은 생체 이식용 관절 또는 골 대체재인 것을 특징으로 하는 성형품.
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