KR102152043B1 - 3차원 프린팅용 조성물 - Google Patents
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Abstract
3차원 프린팅용 조성물을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 3차원 프린터의 원료로 사용되는 조성물로서, 단관능 모노머, 이관능 모노머, 올리고머, 개시제 및 광증감제를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 조성물을 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 3차원 프린터의 원료로 사용되는 조성물로서, 단관능 모노머, 이관능 모노머, 올리고머, 개시제 및 광증감제를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 조성물을 제공한다.
Description
본 발명은 3차원 프린팅에 사용되는 광경화 조성물에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
현재 세계 산업기술의 핵심 트렌드라고 꼽는다면 3D 프린터를 빼놓을 수 없다. 3D 프린팅 기술은 향후 부가가치가 높은 산업으로의 발전이 예상됨에 따라, 각 국의 많은 업체들이 하드웨어(H/W)와 소프트웨어(S/W)를 자체개발하고자 부단한 노력을 하고 있다. 이러한 3D 프린팅 방식 중 하나로서, 현재 널리 보급된 유형의 3D 프린팅 방식으로 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식이 있다. FDM 방식은 플라스틱 소재의 필라멘트를 열로 녹여 압출한 후 상온에서 굳혀 물체를 쌓아올리는 방식이다. 그러나 이러한 FDM 방식은 기계적인 움직임이 많기 때문에, 실제 형상 제작 과정에서 실패율이 높은 단점을 갖는다.
이러한 문제를 해소하고자 최근 등장한 3D 프린팅 기술이 광경화를 이용하여 프린팅하는 기술이다. 광경화 3D 프린팅 기술의 대표적인 예로 SLA(Stereo Lithography Apparatus) 방식 또는 DLP(Digital Light Processing) 방식이 존재한다. SLA 방식은 고밀도의 레이저를 조사하여 레진을 원하는 모양으로 경화시키는 방식이며, DLP는 고밀도의 레이저 대신, 광 프로젝터를 이용하여 레진을 경화시키는 방식으로 SLA와 같이 특정 초점이 아닌 면적으로 광을 조사하여 레진을 경화시키는 방식이다.
SLA 방식은 고밀도의 레이저를 특정 초점으로 조사하여 레진을 경화시키기 때문에, 최종적으로 제조되는 형상의 정밀도가 높은 장점을 갖는 반면, 최종 형상의 제조까지 오랜 시간이 경과되는 단점을 갖는다. 반대로, DLP 방식은 면적으로 광을 조사하여 레진을 경화시키기 때문에, 형상의 제조시간이 상당히 단축되는 장점을 갖는 반면, 최종 형상의 정밀도, 특히, 형상의 표면에서 구현의 정밀도가 떨어지는 단점을 갖는다.
전술한 대로, 종래의 광경화를 이용한 3D 프린팅 방식은 각각 단점을 갖는 문제가 있어, 단점을 최소화한 새로운 3D 프린팅 방식에 대한 수요가 존재한다.
또한, 종래에 3D 프린팅에 이용되는 레진은 불투명한 플라스틱 소재, 예를 들어, ABS 수지 또는 우레탄 등이 사용되어 불투명한 특징을 갖는다. 이에 따라, 종래의 레진은 심미성 및 투과나 확산 등의 광학적 특성이 떨어지는 문제가 있다. 따라서 3D 프린팅에 이용되는 레진에 대해서도 심미성과 광학적 특성이 우수하며 내구성이 향상된 투명한 재질의 소재에 대해서도 수요가 존재한다.
본 발명의 일 실시예는, 투명하며, SLA 3D 프린팅 방식과 DLP 3D 프린팅 방식 모두에 반응하여 경화될 수 있는 3차원 프린팅용 조성물을 제공하는 데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 제조할 최종 형상의 코어와 쉘을 분리하여 경화시키는 3D 프린팅 장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 3차원 프린터의 원료로 사용되는 조성물로서, 단관능 모노머, 이관능 모노머, 올리고머, 개시제 및 광증감제를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 3차원 프린터용 조성물은 단관능 모노머로 10 내지 30 중량부, 이관능 모노머로 20 내지 50 중량부, 올리고머로 30 내지 40 중량부, 5 중량부 이내의 개시제 및 1 중량부 이내의 광증감제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 3차원 프린터용 조성물은 안료를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 3차원 프린터용 조성물은 1 중량부 이내의 안료를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 단관능 모노머는 에폭시계 모노머 또는 에테르계 모노머인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 이관능 모노머는 아크릴계 모노머인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 이관능 모노머는 비스페놀 지(BPZ) 계열의 모노머인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 프린팅용 조성물이 투명하면서도, SLA 3D 프린팅 방식과 DLP 3D 프린팅 방식 모두에 반응하여 경화될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 3D 프린팅 장치가 제조할 최종 형상의 코어와 쉘을 분리하여 경화시킴으로써, 빠른 제조시간과 제조된 최종 형상의 우수한 정밀도를 모두 보장할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 일 구현예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치가 3D 프린팅 조성물을 경화시키는 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치가 3D 프린팅 조성물을 경화시키는 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 일 구현예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치가 3D 프린팅 조성물을 경화시키는 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치가 3D 프린팅 조성물을 경화시키는 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(100)는 제1 광원(110), 제2 광원(115), 제어부(120) 및 모터(130)를 포함한다.
제1 광원(110)은 3D 프린팅 조성물(이하에서, '조성물'이라 약칭함)로 일정한 면적의 광을 조사한다. 제1 광원(110)은 한 점으로 포커싱된 광이 아닌, 3D 프린팅 장치에 의해 최종적으로 제조되는 형상(이하에서, '최종 형상'으로 약칭함)의 코어 부분의 형상에 대응되는 면적의 광을 조사한다. 제1 광원(110)은 일정한 면적의 광을 조성물로 조사하여, 일정한 면적만큼의 조성물을 일시에 경화시킨다. 제1 광원(110)이 조사할 광의 면적은 최종 형상의 각 레이어 내 코어부분의 면적에 따라 달라진다. 제1 광원(110)은 조성물이 최종 형상의 코어 부분과 같이 경화될 수 있도록, 최종 형상의 각 레이어 내 코어부분의 면적만큼의 광을 조성물로 조사한다. 제1 광원(110)은 3D 프린팅 장치(100)가 DLP 3D 프린팅 방식으로 동작할 수 있도록 한다.
제2 광원(115)는 조성물이 담긴 용기로 일 초점의 레이저를 조사한다. 제2 광원(115)은 일 초점으로 포커싱된 레이저를 조사하며, 초점을 이동시켜 최종 형상의 쉘(Shell) 부분이 되도록 조성물을 경화시킨다. 제2 광원(115)은 제1 광원(110)이 조성물을 경화시킨 후 또는 제1 광원(110)과 동시에, 최종형상의 쉘 부분을 추가적으로 경화시킨다. SLA 3D 프린팅 장치는 제2 광원과 같이 일 초점으로 포커싱되는 레이저를 조사하여 조성물을 경화시키기 때문에, 조성물을 최종 형상으로 경화시키기 위해서는 상당히 오랜 시간이 소요된다. 그러나 제2 광원(115)은 이미 제1 광원으로 코어부분의 경화가 완료된 조성물의 쉘 부분만을 경화시키기 때문에, 종래의 SLA 3D 프린팅 장치와 같이 긴 시간의 경화시간이 소모되지도 않으면서 최종 형상의 표면에서 높은 정밀도를 나타낼 수 있다. 제2 광원(115)은 3D 프린팅 장치(100)가 SLA 3D 프린팅 방식으로 동작할 수 있도록 한다.
제1 광원(110)이 경화하는 최종 형상의 코어 부분과 제2 광원(115)이 경화하는 최종 형상의 쉘 부분은 제어부(120)의 설정에 따라 그 면적 또는 부피가 달라질 수 있다. 예를 들어, 쉘 부분은 제어부(120)의 설정에 따라 최외곽 표면으로부터 최종 형상 전체 부피의 10% 되는 지점까지를 의미할 수 있다.
제1 광원(110) 및 제2 광원(115)은 조성물을 경화시키기 위한 파장 대역의 일예로 405nm 대역의 광 또는 레이저를 조사할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제어부(120)는 제1 광원(110)과 제2 광원(115)을 번갈아 작동시키거나 동시에 작동시켜, 조성물을 최종 형상으로 경화시킨다.
제어부(120)는 제1 광원(110)이 경화시키는 최종 형상의 코어 부분의 면적 또는 부피와 제2 광원(115)이 경화시키는 최종 형상의 쉘 부분의 면적 또는 부피를 설정할 수 있다.
제어부(120)는 제1 광원(110)과 제2 광원(115)을 번갈아 작동시킨다. 전술한 대로, 제1 광원(110)이 먼저 각 레이어 내 최종형상의 코어부분을 경화시키고, 이후, 제2 광원(115)이 각 레이어 내 최종형상의 쉘부분을 경화한다. 제1 광원(110)과 제2 광원(115)이 번갈아 작동하며 조성물을 경화할 수 있도록, 제어부(120)는 모터(130)를 제어하여 제1 광원(110), 제2 광원(115) 또는 조성물이 담긴 용기를 이동시킨다. 제1 광원(110)과 제2 광원(115)이 각각 조성물을 경화시키기 위해, 제1 광원(110)과 제2 광원(115) 모두가 동일한 광축이나 광축의 일정 영역 내에 위치하고 있을 경우, 어느 하나의 광원에 의해 다른 광원이 조사하는 광이나 레이저에 간섭이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 방지하고자, 제어부(120)는 제1 광원(110)이나 제2 광원(115)이 이동하도록 모터(130)를 제어하여, 어느 광원이 광을 조사할 때 광축 상에 위치하는 다른 광원을 이동시킨다. 또는, 제어부(120)는 조성물이 담긴 용기가 이동하도록 모터(130)를 제어하여, 서로 다른 광축을 갖도록 배치된 각 광원의 광축 상으로 조성물이 담긴 용기를 이동시킨다. 이에 따라, 제1 광원(110)과 제2 광원(115)은 서로에 영향을 받지않고, 온전히 조성물로 각각 광을 조사할 수 있다.
제어부(120)는 제1 광원(110)과 제2 광원(115)을 동시에 작동시킨다. 전술한 경우와 달리, 제1 광원(110)과 제2 광원(115)이 각각 서로의 광축에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 배치되어 있거나 이동할 수 있다. 이러한 경우, 조성물의 경화 속도를 향상시키기 위해 제어부(120)는 제1 광원(110)과 제2 광원(115)을 동시에 작동시켜 최종형상의 코어와 쉘의 형상에 대응되는 조성물의 경화가 동시에 이루어지도록 한다.
제어부(120)는 모터(130)를 제어하여, 각 광원(110, 115)이 조성물이 담긴 용기로 근접하거나, 조성물이 담긴 용기가 각 광원(110, 115)으로 근접하도록 제어할 수 있다. 사용되는 광원의 종류나 특성에 따라, 광원과 조성물이 상당히 근접해야만 경화가 진행되거나 심지어 광원이 조성물 내로 잠긴 상태에서 경화가 진행되는 경우가 존재한다. 이러한 경우, 각 광원(110, 115)과 조성물이 담긴 용기는 상호간에 근접하고 멀어져야 한다. 제어부(120)는 모터(130)를 제어하여, 각 광원(110, 115)이 용기로 근접하거나 멀어지도록 제어할 수 있다. 반대로, 제어부(120)는 모터(130)를 제어하여, 용기가 각 광원(110, 115)으로 근접하거나 멀어지도록 제어할 수 있다.
제어부(120)는 레이어 별로 구분하여 조성물을 각 레이어 별로 경화하도록 제1 광원(110)과 제2 광원(115)을 제어한다. 제어부(120)는 최종 형상을 각 광원이 1회의 동작에 경화시킬 수 있는 수준의 레이어 별로 구분한다. 이후, 제어부(120)는 조성물이 최종형상의 각 레이어와 동일하게 경화될 수 있도록 각 광원(110, 115)을 제어한다. 먼저, 제어부(120)는 최종형상의 특정 레이어 내 코어의 형상과 같이 조성물이 경화되도록, 제1 광원(110)을 제어한다. 이후, 제어부(120)는 최종형상의 특정 레이어 내 쉘의 형상과 같이 조성물이 경화되도록, 제2 광원(115)을 제어한다. 특정 레이어에 대해 경화를 완료한 후, 제어부(120)는 경화를 완료한 레이어가 최종 레이어인지를 판단한다. 경화된 레이어가 최종 레이어인 경우라면, 각 광원(110, 115)에 의해 경화가 모두 완료된 상황이므로 제어부(120)는 경화를 종료한다. 반대로, 경화된 레이어가 최종 레이어가 아닌 경우, 제어부(120)는 각 광원(110, 115)이 다음 레이어대로 조성물을 경화하도록 각 광원(110, 115)을 제어한다.
모터(130)는 제어부(120)의 제어에 따라, 각 광원(110, 115) 또는 조성물이 담긴 용기를 이동시킨다. 모터(130)는 각 광원(110, 115)이 조성물을 번갈아가며 경화할 수 있도록 각 광원(110, 115) 또는 조성물이 담긴 용기를 이동시키며, 각 광원(110, 115)이 조성물에 근접하여 조성물을 경화시킬 수 있도록 각 광원(110, 115) 또는 조성물이 담긴 용기를 이동시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 일 구현예를 도시한 도면이다.
먼저, 제1 광원(110)은 용기(210) 내 조성물(220)로 광을 조사하여, 최종 형상의 특정 레이어 내 코어의 면적(230)만큼의 조성물을 일시에 경화시킨다. 이때, 제어부(미도시)는 제2 광원(115)을 제1 광원(110)의 광축으로부터 멀어지도록 제어할 수 있으며, 제1 광원(110)에서 조사된 광이 제2 광원(115)으로부터 간섭없이 조성물(220)로 온전히 조사될 수 있다. 이때, 제어부(미도시)는 모터(미도시)를 제어하여, 제1 광원(110)과 용기(210)가 근접하도록 용기(210)의 이동시킬 수 있다.
이후, 제2 광원(120)은 조성물(220)로 광을 조사하여, 최종 형상의 특정 레이어 내 쉘(240) 만큼의 조성물을 경화시킨다. 제2 광원(120)이 조성물을 경화시킬 수 있도록, 제어부(미도시)는 모터(미도시)를 제어하여, 제2 광원(120)이 조사하는 레이저가 조성물로 입사될 수 있는 위치까지 제2 광원(120)을 재이동시킨다. 또한, 제어부(미도시)는 모터(미도시)를 제어하여, 제2 광원(115)과 용기(210)가 근접하도록 용기(210)의 이동시킬 수 있다.
이처럼, 3D 프린팅 장치(100)는 제1 광원(110)과 제2 광원(115)을 번갈아가며 조성물을 경화함으로서, 경화 속도와 품질 모두 뛰어난 수준을 확보할 수 있다.
도 2에는 제1 광원(110)과 제2 광원(115)이 번갈아 작동하는 예만이 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 광원(115)이 제1 광원(110)이 조사하는 광축에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 배치되어 있거나 이동함으로써, 제1 광원(110)과 제2 광원(115)이 동시에 작동할 수 있다. 또한, 제2 광원(115)과 용기(210)가 이동하는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치가 3D 프린팅 조성물을 경화시키는 방법을 도시한 순서도이다.
제어부(120)는 광을 조사하도록 제1 광원(110)을 제어하여, 코어부분을 경화시킨다(S310). 제어부(120)는 제1 광원(110)을 제어하여, 일정한 면적의 광을 조성물로 조사하도록 한다. 제1 광원(110)은 일정한 면적의 광을 조성물로 조사함으로서, 최종 형상의 특정 레이어 내 코어의 면적 만큼 조성물을 일시에 경화시킨다.
제어부(120)는 제1 광원(110)의 광축 상으로 제2 광원(115)이 진입하도록 모터(130)를 제어한다(320).
제어부(120)는 광을 조사하도록 제2 광원(115)을 제어하여, 쉘 부분을 경화시킨다(330). 제어부(120)는 제2 광원(115)을 제어하여, 일 초점의 레이저를 조성물로 조사하도록 한다. 제2 광원(115)은 일 초점으로 포커싱된 레이저를 조사하며, 제어부(120)의 제어에 따라 초점을 이동시켜 최종 형상의 쉘 부분의 형상으로 조성물을 경화시킨다.
제어부(120)는 경화된 레이어가 최종 레이어인지를 판단한다(S340). 제어부(120)는 제1 광원(110)과 제2 광원(115)에 의해 경화된 레이어가 최종 형상의 최종 레이어인지를 판단한다. 경화된 레이어가 최종 레이어인 경우라면, 각 광원(110, 115)에 의해 경화가 모두 완료된 상황이므로 제어부(120)는 경화를 종료한다.
경화된 레이어가 최종 레이어가 아닌 경우, 제어부(120)는 경화된 레이어의 다음 레이어를 경화할 수 있도록 광원 또는 용기가 이동하도록 모터를 제어한다(S350). 경화된 레이어가 최종 레이어가 아닌 경우, 다음 레이어에 대해 경화가 진행되어야 한다. 따라서, 제어부(1200는 광원 또는 용기가 이동하도록 모터를 제어하여 다음 레이어에 대해 S310 내지 S330의 경화과정이 이루어질 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치가 3D 프린팅 조성물을 경화시키는 방법을 도시한 순서도이다.
제어부(120)는 광을 조사하도록 제1 광원(110) 및 제2 광원(115)을 제어하여, 코어 부분 및 쉘 부분을 경화시킨다(S410). 제어부(120)는 제1 광원(110) 및 제2 광원(115)이 동시에 동작하도록 제어하여, 일시에 코어 부분과 쉘 부분에 대응되는 조성물을 경화시킨다.
제어부(120)는 경화된 레이어가 최종 레이어인지를 판단한다(S420).
경화된 레이어가 최종 레이어가 아닌 경우, 제어부(120)는 경화된 레이어의 다음 레이어를 경화할 수 있도록 광원 또는 용기가 이동하도록 모터를 제어한다(S430). 경화된 레이어가 최종 레이어가 아닌 경우, 다음 레이어에 대해 경화가 진행되어야 한다. 따라서, 제어부(1200는 광원 또는 용기가 이동하도록 모터를 제어하여 다음 레이어에 대해 S410의 경화과정이 이루어질 수 있도록 한다.
3D 프린팅 장치(100)에 의해 경화되어 최종 형상으로 제조되는, 본 발명의 일 실시예에 따른 조성물(220)은 투명한 특성을 가지며, DLP 3D 프린팅 방식의 광원과 SLA 3D 프린팅 방식의 광원 모두에 경화되는 특징을 갖는다.
조성물(220)은 단관능 모노머(Monomer), 이관능 모노머, 올리고머(Oligomer), 개시제, 광증감제 및 기타 첨가제를 포함한다.
단관능 모노머는 에폭시계 또는 에테르계 모노머가 사용되며, 10 내지 20 중량부만큼 포함된다. 단관능 모노머는 조성물(220)을 배합함에 있어, 조성물의 점도를 조정한다. 조성물의 점도가 너무 높을 경우, 3D 프린팅 장치가 조성물을 이용하여 3D 프린팅을 수행함에 있어 조성물을 핸들링하는데 어려움이 존재한다. 이러한 문제를 방지하고자, 단관능 모노머가 이관능 모노머와 별도로 추가적으로 포함되어, 조성물의 점도가 너무 높아지지 않도록 한다. 다만, 조성물의 강도 저하와 황변이 나타나지 않도록, 단관능 모노머는 10 내지 20 중량부만큼만이 포함된다.
이관능 모노머는 아크릴계 모노머가 사용되며, 20 내지 50 중량부만큼 포함된다.
이관능 모노머는 조성물 내에 가장 많이 포함되어 메인 체인(Main Chain)을 형성하는 성분으로서, 조성물의 전체적인 반응성과 투명도에 영향을 미치는 메인 성분에 해당한다. 종래의 조성물은 단관능 모노머와 이관능 모노머의 구분없이 특정 성분만이 포함되었다면, 조성물(220)은 단관능 모노머와 이관능 모노머 각각을 일정 중랑부만큼 포함한다. 각각의 모노머가 조성물(220)에 포함됨에 따라, 조성물이 점도와 반응성 모두를 각각 분리하여 제어할 수 있다.
이관능 모노머로 사용되는 아크릴계 모노머는 종래의 비스페놀 에이(BPA) 계열이 아닌 새로이 합성된 비스페놀 지(BPZ) 계열로 구성된다. 이관능 모노머로 사용될 비스페놀 지 계열의 모노머는 다음과 같은 공정으로 제조된다.
종래의 비스페놀 지(반응 전 물질)에 에틸렌 옥사이드(EO: Ethylen Oxide)를 부가하여 제2 비스페놀 지(BPZ(EO), 반응 후 물질)를 합성한다.
합성된 제2 비스페놀 지의 양 말단기(-OH)그룹에 중합반응(Polymerization)이 가능한 아크릴레이트(Acrylate) 관능기를 부가하여 제3 비스페놀 지(BPZ(EO) Ac)를 합성한다.
이와 같이 새로이 합성된 아크릴계 모노머(제3 비스페놀 지)가 이관능 모노머로 사용됨에 따라, 조성물(220)은 투명성, 강도 및 내마모성이 높은 장점을 갖는다.
올리고머는 에폭시아크릴레이트 및 우레탄계아크릴레이트가 사용되며, 30 내지 50 중량부만큼 포함된다.
올리고머는 강도와 같은 조성물의 기계적 물성에 영향을 미치는 성분이다. 다만, 너무 많은 양의 올리고머가 포함될 경우, 황변이 발생할 수 있어 30 내지 50 중량부만큼 포함된다.
올리고머는 에폭시아크릴레이트 및 우레탄계아크릴레이트가 사용된다. 우레탄계아크릴레이트는 DLP 3D 프린팅 방식의 광원에 주로 영향을 받기 때문에, SLA 3D 프린팅 방식의 광원에도 조성물이 경화되기 위해서는 우레탄계아크릴레이트만이 올리고머로 사용될 수는 없다. 따라서 올리고머에는 우레탄계아크릴레이트 뿐만 아니라, DLP 3D 프린팅 방식의 광원과 SLA 3D 프린팅 방식의 광원 모두에 반응하는 에폭시아크릴레이트도 포함된다.
개시제는 라디칼계 개시제 성분과 카티온계 개시제 성분이 모두 포함된 개시제가 사용되며, 5 중량부 이내만큼 포함된다.
개시제는 특정 파장대역에서 반응을 개시하는 물질이다. 중합반응은 연쇄적으로 일어나는 반응인데, 개시제가 특정 파장대역의 광에 반응하여 반응을 개시한다.
개시제로는 라디칼계 개시제 성분과 카티온계 개시제 성분이 모두 포함된 개시제가 사용된다. 양 성분을 모두 포함함으로써, 개시제는 DLP 3D 프린팅 방식의 광원과 SLA 3D 프린팅 방식의 광원 모두에 반응을 개시할 수 있다.
안료는 1 중량부 이내만큼 포함된다. 안료는 가시광선 영역 대의 빛의 투과도와 반응속도를 일정 수준 저하시킬 가능성은 존재하나, 색상 개선의 효과를 갖는다. 이에 따라, 조성물 내 소량 포함될 수 있다.
광 증감제는 실란 커플링제가 사용될 수 있으며, 1 중량부 이내만큼 포함된다. 광 증감제는 특정 파장의 광을 흡수하여, 3D 프린팅 출력시 번지는 현상을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 최종 형상의 정밀도가 증가하도록 한다. 또한, 광 증감제는 반응 속도를 억제함으로써, 과도하게 반응이 진행되는 것을 방지할 수 있다. 광 증감제는 반응 속도를 억제하기 때문에, 전술한 대로, 1 중량부 이내만큼만 포함되는 것이 바람직하다.
이에 추가적으로, 필요한 성능에 따라 기타 첨가제가 추가적으로 포함될 수 있다.
이하에서는 각 성분의 배합을 각각 달리한 본 발명의 일 실시예들과 비교예를 비교하여 설명한다.
[실시예 1]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
[실시예 2]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
[실시예 3]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
[실시예 4]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
[실시예 5]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
[실시예 6]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
[실시예 7]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
반면, 비교예들의 배합비는 다음과 같다.
[비교예 1]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
[비교예 2]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
[비교예 3]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
[비교예 4]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
[비교예 5]
아래에 개시된 표의 배합비에 따라 조성물을 제조하였다.
실시예 1 내지 7의 배합비로 제조된 조성물과 비교예 1 내지 5의 배합비로 제조된 조성물의 물성에 관한 실험을 시행하였다. 실험 결과를 아래에 개시된 표에 나타내었다. 비고에 별도의 기재가 존재하지 않는 경우는, 후경화를 30분 수행한 경우에 해당한다.
실시예 1 내지 6의 배합비로 배합되어 경화된 조성물 모두는 인장강도가 46 내지 53 MPa인 반면, 비교예의 배합비로 배합되어 경화된 조성물들은 7 내지 41 MPa로 상당히 저조한 강도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 실시예 1 내지 6의 배합비로 배합되어 경화된 조성물이 우수한 인장강도를 갖는 이유로는 올리고머가 적절한 중랑부로 포함됨과 동시에, 이관능 모노머도 적절한 중량부로 함께 포함되어 있기 때문인 것으로 파악된다.
실시예 1 내지 6의 배합비로 배합되어 경화된 조성물 모두는 신장율이 3 내지 8 수준의 우수한 신장율을 갖는 반면, 비교예의 배합비로 배합되어 경화된 조성물은 대체로 1 내지 2 수준의 낮은 신장율을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 비교예 5의 배합비로 배합되어 경화된 조성물은 34.65의 높은 신장율을 갖는 것으로 확인되었으나, 이는 현저히 낮은 인장강도에 기인한 결과이므로 신장율 판단에서 제외한다.
또한, 실시예 1 내지 5의 배합비로 배합되어 경화된 조성물들은 117 내지 134 MPa의 굴곡강도를 갖는 반면, 비교예의 배합비로 배합되어 경화된 조성물들은 굴곡강도를 갖지 못하는 것으로 확인되었다.
이러한 실험 결과를 참조할 때, 본 실시예에 따른 조성물은 투명한 특성을 가짐과 동시에, 별도의 후처리 공정없이도 상당히 우수한 물성을 갖는다.
도 3에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 3에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 3은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 3에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 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 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 3D 프린팅 장치
110: 제1 광원
115: 제2 광원
120: 제어부
130: 모터
210: 용기
220: 조성물
230: 코어
240: 쉘
110: 제1 광원
115: 제2 광원
120: 제어부
130: 모터
210: 용기
220: 조성물
230: 코어
240: 쉘
Claims (7)
- SLA 3차원 프린팅 방식과 DLP 3차원 프린팅 방식 모두에 적용 가능한 3차원 프린터용 조성물로서,
에폭시계 또는 에테르계 모노머로 구현되며, 조성물의 점도를 조정하며 강도 저하와 황변을 방지하기 위해 10 내지 20중량부만큼 포함되는 단관능 모노머;
비스페놀 지(BPZ) 계열의 아크릴계 모노머로 구현되며, 조성물의 반응성과 투명도를 조정하기 위해 20 내지 50 중량부만큼 포함되는 이관능 모노머;
DLP 3D 프린팅 방식의 광원 및 SLA 3D 프린팅 방식의 광원 모두에 경화되기 위해 에폭시아크릴레이트 및 우레탄계아크릴레이트로 구현되며, 기계적 물성을 향상시키며 황변을 방지하기 위해 30 내지 50중량부만큼 포함되는 올리고머;
DLP 3D 프린팅 방식의 광원 및 SLA 3D 프린팅 방식의 광원 모두에 반응을 개시할 수 있도록 라이칼계 성분과 카티온계 성분 모두를 포함하며, 4 중량부 이내만큼 포함되는 개시제 및
실란 커플링제로 구현되며, 제조되는 형상의 정밀도를 향상시키며 반응속도 억제율을 조정하기 위해 1 중량부 이내만큼 포함되는 광증감제
를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 조성물. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 3차원 프린터용 조성물은,
안료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 조성물. - 제3항에 있어서,
상기 3차원 프린터용 조성물은,
1 중량부 이내의 안료를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 조성물. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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