KR102174299B1 - 3차원 프린팅 방법 및 이에 의한 3차원 프린팅 제품 - Google Patents

3차원 프린팅 방법 및 이에 의한 3차원 프린팅 제품 Download PDF

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Abstract

강화된 복합재로 성형된 지지대를 인쇄 다이의 상면에 위치시키는 단계; 및
지지대의 외면에 용융된 성형 수지를 분사하여 지지대의 측면을 둘러싸면서 지지대의 하부에서 상부로 적층함으로써 3차원 입체 형상을 형성하는 단계;를 포함하는 3차원 프린팅 방법이 소개된다.

Description

3차원 프린팅 방법 및 이에 의한 3차원 프린팅 제품{3-DIMENSIONAL PRINTING METHOD AND 3-DIMENSIONAL PRINTING PRODUCT BY THE SAME}
본 발명은 3차원 프린팅 방법 및 이에 의한 3차원 프린팅 제품에 관한 것으로, 수지를 분사하여 적층하는 3차원 프린팅에 관한 것이다.
3차원(3-Dimensional, 3D) 프린터는 평면에 인쇄하는 장치인 종래의 2차원 프린터와 달리 3차원 입체적인 공간에 인쇄하는 장치이다. 특히, 3차원 도면 데이터를 이용하여 입체적인 물품을 생성하게 된다.
3차원 프린터는 얇은 2차원 면을 층층이 쌓아 올리는 방식인 적층형과 커다란 덩어리를 조각하듯이 깎아서 인쇄물을 만드는 절삭형으로 구분된다. 특히, 적층형은 재료의 손실이 없어서 최근 보급되는 3차원 프린터는 대부분 적층형이다.
적층형은 파우더(석고나 나일론 등의 가루)나 플라스틱 액체 또는 플라스틱 실을 종이보다 얇은 층으로 겹겹이 쌓아 입체 형상을 만들어내는 방식이다. 즉, 적층형 3차원 프린터는 용융된 수지를 적층하여 입체적인 형상을 인쇄하는 것이다.
다만, 3차원 프린터는 용융된 수지를 아주 얇게 분사하여 3차원 입체 형상을 형성하는 것으로, 분사하는 원료인 열가소성 수지는 물성이 취약한 문제를 갖는다. 특히, 3차원 프린터로 프린팅된 3차원 제품은 적층 방향에 대한 물성이 취약한 문제가 있었고, 용융된 수지를 분사하기 위하여는 보강재를 사용하기 어려운 문제가 있었다.
이를 해결하기 위하여, 1차 적층 후 방향을 바꿔 2차 적층하는 프린팅 방법도 시도되었으나, 근본적으로 물성이 취약한 문제는 해결할 수 없었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2018-0073545 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 적층형 3차원 프린터로 인쇄한 제품의 적층 방향 물성을 강화하도록 보강한 3차원 프린팅 방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 프린팅 방법은 강화된 복합재로 성형된 지지대를 인쇄 다이의 상면에 위치시키는 단계; 및 지지대의 외면에 용융된 성형 수지를 분사하여 지지대의 측면을 둘러싸면서 지지대의 하부에서 상부로 적층함으로써 3차원 입체 형상을 형성하는 단계;를 포함한다.
지지대는 인쇄 다이의 상방으로 연장되고, 프린팅하고자 하는 3차원 입체 형상보다 크기가 작게 형성될 수 있다.
3차원 입체 형상을 형성하는 단계에서는, 지지대가 3차원 입체 형상의 내부에 위치되도록 지지대의 외면을 커버링하도록 성형 수지를 분사할 수 있다.
지지대는 성형 수지와 동일한 열가소성 수지를 포함하도록 강화된 복합재로 형성되어 지지대의 표면에 분사된 성형 수지가 일체화될 수 있다.
지지대는 탄소 섬유를 강화재로 하는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) 재질일 수 있다.
3차원 입체 형상을 형성하는 단계 이전에, 지지대가 상온보다 높고 성형 수지의 용융점보다 낮은 온도로 유지되도록 인쇄 다이를 가열하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 프린팅 방법은 강화된 복합재로 성형된 지지대의 외면에 용융된 성형 수지를 분사하되 지지대의 측면을 둘러싸면서 지지대의 하부에서 상부로 적층시킴으로써 3차원 입체 형상을 형성한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 프린팅 제품은 강화된 복합재로 성형된 지지대; 및 용융된 상태로 지지대의 외면에 분사되어 지지대의 외부에서 일체로 결합되고, 지지대의 측면을 둘러싸도록 지지대의 하부에서 상부로 적층된 성형 수지;를 포함한다.
본 발명의 3차원 프린팅 방법 및 이에 의한 3차원 프린팅 제품에 따르면, 강화된 복합재로 성형된 지지대를 내부에 포함하여 3차원 프린팅 제품의 물성이 강화되는 효과를 갖는다.
또한, 지지대는 성형 수지와 동일한 열가소성 수지를 포함하여 성형 수지와의 계면 접착력을 증대하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 제품을 도시한 것이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
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 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 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 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 제품을 도시한 것이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법은 강화된 복합재로 성형된 지지대(10)를 인쇄 다이(40)의 상면에 위치시키는 단계; 및 지지대(10)의 외면에 용융된 성형 수지(20)를 분사하여 지지대(10)의 측면을 둘러싸면서 지지대(10)의 하부에서 상부로 적층함으로써 3차원 입체 형상을 형성하는 단계;를 포함한다.
지지대(10)는 강화된 복합재로 성형된 것으로, 사출 금형을 통한 사출 등의 성형 방법으로 성형될 수 있다. 지지대(10)는 프린팅하고자 하는 3차원 입체 형상과 대응되는 형상일 수도 있고, 단순한 막대 형상일 수 있다.
성형 수지(20)는 용융된 상태로 분사되는 것으로, 히팅 코어가 포함된 노즐(30)에 의해 용융된 상태로 지지대(10)의 외면에 분사될 수 있다. 분사된 성형 수지(20)는 인쇄 다이(40)의 상면과 나란한 평면 방향을 따라서 지지대(10)의 하부에서 상부로 적층된다.
지지대(10)는 프린팅하고자 하는 3차원 입체 형상에 대응되는 높이를 갖도록 상방으로 연장된다. 이에 따라, 성형 수지(20)는 인쇄 다이(40)의 상면에 수직한 방향으로 적층되고, 동일한 방향으로 연장된 지지대(10)에 의해 지지됨으로써 성형 수지(20)의 적층 방향으로의 물성이 강화되는 효과를 갖는다.
특히, 지지대(10)는 인쇄 다이(40)의 상방으로 연장되고, 프린팅하고자 하는 3차원 입체 형상보다 크기가 작게 형성될 수 있다.
지지대(10)는 프린팅하고자 하는 3차원 입체 형상보다 작게 형성되어, 지지대(10)가 내부에 포함된 상태로 지지대(10)의 외면에 용융된 성형 수지(20)를 분사되어 3차원 입체 형상이 형성될 수 있다. 이에 따라, 강화된 복합재로 성형된 지지대(10)를 내부에 포함하여 3차원 프린팅 제품의 물성이 강화되는 효과를 갖는다.
3차원 입체 형상을 형성하는 단계에서는, 지지대(10)가 3차원 입체 형상의 내부에 위치되도록 지지대(10)의 외면을 커버링하도록 성형 수지(20)를 분사할 수 있다.
지지대(10)는 단순히 상방으로 연장된 막대 형상 또는 프린팅하고자 하는 3차원 입체 형상보다 단순화된 형상일 수 있고, 성형 수지(20)는 복잡한 형상을 갖는 프린팅하고자 하는 3차원 입체 형상을 형성하도록 지지대(10)의 외면을 커버링하도록 분사될 수 있다.
특히, 지지대(10)의 측면뿐만 아니라 지지대(10)의 상면까지 커버링하도록 분사될 수 있다. 즉, 지지대(10)는 프린팅하고자 하는 3차원 입체 형상의 높이에 대응되지만 프린팅하고자 하는 3차원 입체 형상보다 높이가 작을 수 있다.
성형 수지(20)는 지지대(10)를 둘러싸면서 위치에 따라 내외측으로 노즐(30)이 이동되면서 분사될 수 있고, 지지대(10)의 외면에 접착되어 지지대(10)와 일체화되도록 분사될 수 있다.
지지대(10)는 성형 수지(20)와 동일한 열가소성 수지를 포함하도록 강화된 복합재로 형성되어 지지대(10)의 표면에 분사된 성형 수지(20)가 일체화될 수 있다. 지지대(10)는 가열됨에 따라 소성 변형이 가능한 열가소성 수지를 포함하되, 성형 수지(20)와 동일한 수지일 수 있다.
이에 따라, 용융된 성형 수지(20)를 분사하는 경우 지지대(10)의 표면이 고온에 의해 일부 소성 변형될 수 있고, 성형 수지(20)와 동일한 수지를 포함하여 성형 수지(20)와 강하게 결합할 수 있는 효과를 갖는다. 즉, 지지대(10)는 성형 수지(20)와 동일한 열가소성 수지를 포함하여 성형 수지(20)와의 계면 접착력을 증대하는 효과를 갖는다.
성형 수지(20)는 용융된 상태로 분사되어야 하는 점에서 강화재를 포함하기 어렵다. 특히, 섬유의 길이가 상대적으로 긴 장섬유를 포함하면 성형성이 악화되는 점에서 성형 수지(20)에 보강재를 포함시키기 어렵다.
이에 따라, 지지대(10)에 강화재를 포함한 복합재를 적용함으로써 3차원 입체 형상의 강성을 보완할 수 있다. 지지대(10)에는 유리 섬유, 탄소 섬유 등 다양한 강화재가 이용될 수 있다.
특히, 지지대(10)는 탄소 섬유를 강화재로 하는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) 재질일 수 있다. 즉, 카본 필라멘트를 수지에 함침시켜 경화시킨 CFRP 재질로 지지대(10)를 형성할 수 있다. 이에 따라, 열팽창 계수가 작고 비강도 및 비탄성률이 우수한 지지대(10)를 형성하여 3차원 입체 형상의 강성을 강화할 수 있는 효과를 갖는다.
추가로, 3차원 입체 형상을 형성하는 단계 이전에, 지지대(10)가 상온보다 높고 성형 수지(20)의 용융점보다 낮은 온도로 유지되도록 인쇄 다이(40)를 가열하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
성형 수지(20)의 용융점은 수지의 종류에 따라 다르지만, 노즐(30)에 포함된 히팅 코어에 의해 성형 수지(20)는 약 200℃ 부근의 고온으로 가열되어 용융된 상태로 분사된다. 분사된 성형 수지(20)는 상온에 노출되어 냉각됨으로써 고체로 응고된다.
인쇄 다이(40)를 가열하는 단계에서는 분사된 성형 수지(20)가 고체로 응고되는 시간을 지연시키고 지지대(10)의 표면을 일부 용융시키거나 연화시킬 수 있다. 인쇄 다이(40)는 지지대(10)가 상온보다는 높은 온도로 유지되도록 가열되고, 특히 성형 수지(20)를 응고시키기 위하여 성형 수지(20)의 용융점보다는 낮은 온도로 가열될 수 있다. 지지대(10)는 약 100℃ 부근의 온도로 가열될 수 있다. 이에 따라, 분사된 성형 수지(20)는 지지대(10)에 일체로 강하게 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법은 강화된 복합재로 성형된 지지대(10)의 외면에 용융된 성형 수지(20)를 분사하되 지지대(10)의 측면을 둘러싸면서 지지대(10)의 하부에서 상부로 적층시킴으로써 3차원 입체 형상을 형성할 수 있다.
도 2에 도시한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법에 의한 3차원 프린팅 제품은 강화된 복합재로 성형된 지지대(10); 및 용융된 상태로 지지대(10)의 외면에 분사되어 지지대(10)에 일체로 결합되고, 지지대(10)의 측면을 둘러싸도록 지지대(10)의 하부에서 상부로 적층된 성형 수지(20);를 포함한다.
지지대(10)는 인쇄 다이(40)의 상면에서 일정한 높이를 갖도록 인쇄 다이(40)의 상방으로 연장될 수 있다.
성형 수지(20)는 지지대(10)의 측면을 둘러싸도록 하부에서 상부로 적층되도록 지지대(10)의 외면에 분사되어, 지지대(10)가 내부에 위치되도록 지지대(10)의 외부에 위치되어 지지대(10)와 일체로 결합될 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 지지대 20 : 성형 수지
30 : 노즐 40 : 인쇄 다이

Claims (8)

  1. 강화된 복합재로 성형된 지지대를 인쇄 다이의 상면에 위치시키는 단계; 및
    지지대의 외면에 용융된 성형 수지를 분사하여 지지대의 측면을 둘러싸면서 지지대의 하부에서 상부로 적층함으로써 3차원 입체 형상을 형성하는 단계;를 포함하고,
    지지대는 성형 수지와 동일한 열가소성 수지를 포함하도록 강화된 복합재로 형성되어 지지대의 표면에 분사된 성형 수지가 일체화되고,
    3차원 입체 형상을 형성하는 단계에서는, 지지대의 표면이 고온에 의해 일부 소성 변형되면서 성형 수지와 결합하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    지지대는 인쇄 다이의 상방으로 연장되고, 프린팅하고자 하는 3차원 입체 형상보다 크기가 작게 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    3차원 입체 형상을 형성하는 단계에서는, 지지대가 3차원 입체 형상의 내부에 위치되도록 지지대의 외면을 커버링하도록 성형 수지를 분사하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    지지대는 탄소 섬유를 강화재로 하는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) 재질인 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    3차원 입체 형상을 형성하는 단계 이전에, 지지대가 상온보다 높고 성형 수지의 용융점보다 낮은 온도로 유지되도록 인쇄 다이를 가열하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  7. 청구항 1의 3차원 프린팅 방법에 의한 3차원 프린팅 제품으로,
    강화된 복합재로 성형된 지지대; 및
    용융된 상태로 지지대의 외면에 분사되어 지지대의 외부에서 일체로 결합되고, 지지대의 측면을 둘러싸도록 지지대의 하부에서 상부로 적층된 성형 수지;를 포함하는 3차원 프린팅 제품.
  8. 강화된 복합재로 성형된 지지대의 외면에 용융된 성형 수지를 분사하되 지지대의 측면을 둘러싸면서 지지대의 하부에서 상부로 적층시킴으로써 3차원 입체 형상을 형성하며,
    지지대는 성형 수지와 동일한 열가소성 수지를 포함하도록 강화된 복합재로 형성되어 지지대의 표면에 분사된 성형 수지가 일체화되고,
    지지대의 표면이 고온에 의해 일부 소성 변형되면서 성형 수지와 결합하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
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