KR102185955B1 - 3d 프린팅을 이용한 입체 형상물의 제조 방법 - Google Patents

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김혜림
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Abstract

본 발명은 3D 프린팅 기술을 적용하여 원하는 패턴을 평면 형태로 제작한 다음, 몰드를 이용하여 원하는 입체 형상으로 용이하게 성형함으로써 입체 형상물의 제작에 서포트를 필요로 하지 않으며, 간단하고 용이하게 다양한 텍스타일 패턴의 입체 형상물을 제작할 수 있는 3D 프린팅을 이용한 입체 형상물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 3D 프린팅을 이용한 입체 형상물을 제조하는 방법은, (S1) 3D 프린터에 패턴시트의 패턴 정보를 입력하는 단계; (S2) 베이스시트를 3D 프린터의 작업 베드 상에 안착시키는 단계; (S3) 3D 프린터에 입력된 패턴 정보에 따라 상기 베이스시트 위에 열가소성 수지 필라멘트를 출력하여 정해진 패턴을 갖는 평판 형태로 패턴시트를 만드는 단계; (S4) 상기 베이스시트 상에 출력되어 접합된 패턴시트의 복합체를 입체 형상을 갖는 몰드 위에 안착시키고 정해진 온도 범위로 가열하여 베이스시트와 패턴시트의 복합체를 몰드와 대응하는 입체 형태로 성형하는 단계; 및, (S5) 몰드의 입체 형태와 대응하는 형태로 성형된 베이스시트와 패턴시트의 복합체의 테두리를 마무리 가공하여 최종적인 입체 형태를 갖는 입체 형상물로 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

3D 프린팅을 이용한 입체 형상물의 제조 방법{Three-dimensional Structure Made by 3D Printer And Method for Manufacturing the Same}
본 발명은 소정의 패턴을 갖는 수지 재질의 입체 형상물을 3D 프린팅 기술을 이용하여 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직물로 된 베이스시트에 3D 프린터를 이용하여 열가소성 폴리우레탄 소재(TPU) 또는 형상기억 고분자(SMP) 필라멘트와 같은 열가소성 수지 필라멘트를 sinusoidal 패턴과 같은 구불구불한 패턴으로 출력하여 접합시킨 후 신발 갑피와 같은 원하는 입체 형상을 갖는 입체 형상물로 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 들어 3D 프린팅 기술에 대한 관심이 증대되면서 신발의 갑피, 인솔, 아웃솔 등을 3D 프린터로 제작하는 기술이 개발되고 있다.
예를 들어, 국내 공개특허 제10-2014-0142201호에는 3D 스캐너를 이용하여 발의 형상을 스캐닝하여 발 유형 정보를 측정하고, 그 측정 결과를 바탕으로 자기 발에만 맞는 라스트, 갑피, 인솔(중창), 아웃솔 및 밑창, 깔창 등 필요한 부품의 제조 데이터로 활용하여 3D 프린터로 라스트, 갑피, 인솔(중창), 아웃솔 및 밑창, 깔창 등을 제작하는 "3D 프린터 및 3D 스캐너를 이용한 맞춤 신발 제조 시스템"이 개시되어 있다.
또한 국내 등록특허 제10-1864727호에는 3D 프린팅 장치에 의해 간편제작되는 간이 형틀을 이용한 신발창의 성형과 신발창-갑피 간 접착 및 신발 제조를 위한 복수 공정에서의 3D 프린팅 장치 활용을 통해 금형 없이 신발창의 제조가 가능한 "3D 프린팅 기반 무금형 신발 제조방법"이 개시되어 있다.
이외에도 다양한 신발 제조 업체에서 3D 프린팅 기술을 적용하여 신발의 부품을 제작하고 있는데, 예를 들어 나이키 사에서는 코일형으로 감겨 있는 열가소성 수지 재질의 필라멘트가 풀리면서 고온에서 녹은 후 적층식으로 쌓이는 Solid Deposite Modeling(SDM) 방식으로 신발의 갑피 부분에 3D 프린팅 텍스타일을 적용한 예가 있다.
또한 아디다스 사에서는 운동화의 중창 부분에 3D 프린팅 기술을 적용한 예가 있는데, 3D 프린터 벤처기업인 Carbon 사와의 협업을 통해 '디지털 광합성 기술(DLSTM)'을 활용하여 빛과 산소를 이용하여 출력하는 방식을 적용하였다.
이외에도 다양한 3D 프린팅 기술을 적용하여 신발의 부품을 제조하는 기술이 적용되고 있다.
그러나 종래의 3D 프린팅 기술을 적용하여 신발 갑피와 같은 입체 형상물을 열가소성 수지로 제작하는 경우, 3D 프린터로 원하는 입체 형태로 입체 형상물을 출력하여 제작하고 있으며, 출력이 완료되고 나서 서포트를 제거해 주어야 하는데, 이러한 서포트 제거 작업이 매우 어렵기 때문에 시간과 노력이 많이 요구되며, 서포트 제거 과정에서 불량이 발생할 가능성도 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0142201호(2014.12.11. 공개) 대한민국 등록특허 제10-1864727호(2018.05.30. 등록)
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 3D 프린팅 기술을 적용하여 원하는 패턴을 평면 형태로 제작한 다음, 몰드를 이용하여 원하는 입체 형상으로 용이하게 성형함으로써 입체 형상물의 제작에 서포트를 필요로 하지 않으며, 간단하고 용이하게 다양한 3D 텍스타일 패턴의 입체 형상물을 제작할 수 있으며, 열적 특성과 기계적 특성이 우수하여 성형성과 내구성을 향상시킬 수 있는 3D 프린팅을 이용한 입체 형상물 및 그 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린팅을 이용한 입체 형상물은 직물 또는 수지로 된 베이스시트와; 3D 프린터에 의해 상기 베이스시트 상에 특정한 패턴을 갖는 평판으로 출력되어 접합된 후 베이스시트와 함께 몰드 상에서 가열되어 입체 형태로 성형된 열가소성 수지 재질의 패턴시트;를 포함할 수 있다.
상기 패턴시트는 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 형상기억 고분자(SMP)로 된 필라멘트로 만들어질 수 있다.
상기 입체 형상물은 신발 갑피일 수 있다.
상술한 것과 같은 본 발명에 따른 3D 프린팅을 이용한 입체 형상물을 제조하는 방법은 다음과 같은 단계들을 포함할 수 있다.
(S1) 3D 프린터에 패턴시트의 패턴 정보를 입력하는 단계
(S2) 베이스시트를 3D 프린터의 작업 베드 상에 안착시키는 단계
(S3) 3D 프린터에 입력된 패턴 정보에 따라 상기 베이스시트 위에 열가소성 수지 필라멘트를 출력하여 정해진 패턴을 갖는 평판 형태로 패턴시트를 만드는 단계
(S4) 상기 베이스시트 상에 출력되어 접합된 패턴시트의 복합체를 입체 형상을 갖는 몰드 위에 안착시키고 정해진 온도 범위로 가열하여 베이스시트와 패턴시트의 복합체를 몰드와 대응하는 입체 형태로 성형하는 단계
(S5) 몰드의 입체 형태와 대응하는 형태로 성형된 베이스시트와 패턴시트의 복합체의 테두리를 마무리 가공하여 최종적인 입체 형태를 갖는 입체 형상물로 제조하는 단계.
상기 S3 단계에서 패턴시트는 형상기억 고분자(SMP) 필라멘트를 사용하여 만들어질 수 있다.
또한 상기 S4 단계에서 상기 온도 범위는 형상기억 고분자(SMP)의 유리전이온도 범위이다.
상기 S5 단계 이후에 입체 형상물의 형태를 수정하거나 다른 형태로 성형하여 재활용하고자 할 경우, 입체 형상물을 상기 S4 단계의 온도 범위로 가열하여 평판 형태로 복원하는 단계를 더 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 입체 형상물을 3D 프린터로 처음부터 입체 형태로 만들어지 않고 소정의 패턴을 갖는 평면 형태로 출력한 후 이를 몰드에 놓고 가열하여 몰드와 대응하는 형태로 변형시켜 원하는 입체 형상물을 제작할 수 있다.
따라서 3D 프린터로 입체 형상물의 제작시 서포트를 필요로 하지 않기 때문에 입체 형상물의 제작 후에 서포트를 제거하는 번거로운 작업을 수행할 필요없이, 간단하고 용이하게 원하는 형태로 입체 형상물을 제작할 수 있다.
또한 입체 형상물의 형태를 수정하거나 다른 형태로 성형하여 재활용하고자 할 경우, 입체 형상물을 이전의 성형 공정에서 수행했던 온도 범위로 가열하면, 다시 편평하게 펴지면서 원래의 평판 형태로 복원되며, 복원된 베이스시트와 패턴시트의 복합체를 다른 형태의 몰드에 올려 놓고 가열하여 새로운 형태의 입체 형상물을 용이하게 제작할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체 형상물로서 신발 갑피 및 그 제조 방법을 설명하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체 형상물의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 입체 형상물을 제조하는 과정에서 패턴을 설계하고 입력하는 단계에서의 파일 변환 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 입체 형상물을 제조하는 과정에서 패턴이 형성된 복합체를 성형하는 단계의 예를 나타낸 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 3D 프린팅을 이용한 입체 형상물 및 그 제조 방법을 후술된 실시예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 입체 형상물은 베이스시트(1)와, 상기 베이스시트(1) 상에 3D 프린터(10)에 의해 출력되어 접합되는 패턴시트(2)의 복합체가 몰드 상에서 가열되어 몰드와 대응하는 입체 형태로 성형된 것이다. 이 실시예에서 상기 입체 형상물은 신발 또는 슬리퍼의 갑피로 사용된다.
상기 베이스시트(1)는 나일론 직물, 면, 모, 폴리에스테르, 부직포, 니트 등 평평하고 얇은 직물 또는 수지 등으로 된 것으로, 입체 형상물의 기계적 강도를 증대시키고, 입체 형상물의 사용 목적에 따라 필요로 하는 특성을 제공할 수 있는 재질로 된 것을 사용할 수 있다. 상기 베이스시트(1)는 초기에 평판형의 필름 또는 시트로 되어 있다가 패턴시트(2)와 함께 소정의 입체 형태로 성형된다.
상기 패턴시트(2)는 베이스시트(1) 상에 소정의 패턴을 갖는 평판 형태로 출력되어 접합된 후, 베이스시트(1)와 함께 소정 형태의 몰드 상에서 가열되어 몰드의 외형과 대응하는 형태로 변형된 것이다. 상기 패턴시트(2)의 패턴은 도 1에 도시한 것과 같이 웨이브 형태의 패턴이 가로 및 세로로 교차하게 배열되어 있는 sinusoidal 패턴 등을 적용할 수 있다.
패턴시트(2)는 열가소성 수지 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터(10)로 출력하여 만들어진 것으로, 열가소성 수지 필라멘트로서 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 형상기억 고분자(SMP)로 된 필라멘트를 사용할 수 있다. 특히 형상기억 고분자(SMP) 필라멘트를 사용할 경우, 열가소성 폴리우레탄(TPU) 필라멘트를 사용할 경우보다 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있다.
다음으로 3D 프린팅 기술을 이용하여 입체 형상물을 제조하는 방법을 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 입체 형상물 제조 방법은 아래의 단계들을 포함한다.
(S1) 3D 프린터에 패턴시트의 패턴 정보를 입력하는 단계
(S2) 베이스시트를 3D 프린터의 작업 베드 상에 안착시키는 단계
(S3) 3D 프린터에 입력된 패턴 정보에 따라 상기 베이스시트 위에 열가소성 수지 필라멘트를 출력하여 정해진 패턴을 갖는 평판 형태로 패턴시트를 만드는 단계
(S4) 상기 베이스시트 상에 출력되어 접합된 패턴시트의 복합체를 입체 형상을 갖는 몰드 위에 안착시키고 정해진 온도 범위로 가열하여 베이스시트와 패턴시트의 복합체를 몰드와 대응하는 입체 형태로 성형하는 단계
(S5) 몰드의 입체 형태와 대응하는 형태로 성형된 베이스시트와 패턴시트의 복합체의 테두리를 마무리 가공하여 최종적인 입체 형태를 갖는 입체 형상물로 제조하는 단계
각각의 단계를 좀 더 상세히 설명하면, 먼저 S1 단계에서는 도 3의 (A) 도면에 도시한 것과 같이 일러스트레이터 프로그램을 이용하여 일정 크기의 패턴을 설계한다. 그리고, 도 3의 (B) 도면에 도시한 것과 같이 Autodesk 123D Design 과 같은 설계프로그램을 이용하여 두께를 설정하고 .stl 파일로 변환한 후, 도 3의 (C) 도면에 도시한 것과 같이 슬라이싱 프로그램으로 .gcode 파일로 변환한다.
이러한 .gcode 파일로 변환된 패턴 정보를 FDM 3D 프린터에 입력하고, 노즐온도(℃)와 작업 베드의 온도(℃), 출력속도(㎜/s), 채우기(%) 등의 출력조건을 입력한다.
그런 다음, 도 1에 도시한 것과 같이 소정 두께(예를 들어 0.1㎜)의 베이스시트(1)를 3D 프린터(10)의 작업 베드(11) 상에 안착시키고(단계 S2), 그 위에 입력된 패턴 형상으로 패턴시트(2)를 출력한다(단계 S3). 이 때 패턴시트(2)는 베이스시트(1) 상에 편평한 평판 형태로 출력된다. 상기 패턴시트(2)는 출력될 때 비교적 고온 상태에 있으며, 출력 이후에 냉각되면서 베이스시트(1)에 접합되어 분리되지 않게 된다.
이와 같이 베이스시트(1) 상에 패턴시트(2)가 출력되면서 접합된 베이스시트(1)와 패턴시트(2)의 복합체가 만들어지면, 평판 형태를 갖는 복합체를 소정의 형태를 갖는 몰드(20) 위에 안착시키고, 가열챔버(30) 내부에 투입하여 일정한 온도 범위로 일정 시간동안 가열한다(단계 S4). 이 때, 가열 온도 범위는 패턴시트(2)를 이루고 있는 열가소성 수지의 유리전이온도 범위로, 패턴시트(2)는 유리전이온도 범위에서 연화되어 몰드(20)의 외형에 대응하여 변형되며, 베이스시트(1)의 변형에 따라 동일한 형태로 변형된다.
베이스시트(1)와 패턴시트(2)의 복합체가 몰드(20) 상에서 가열되어 변형되면, 베이스시트(1)와 패턴시트(2)의 복합체를 일정 시간 동안 냉각시킨 후 베이스시트(1)와 패턴시트(2)의 복합체를 몰드(20)에 대해 밀착시켜 테두리를 접거나 절단하여 원하는 최종 입체 형태를 갖는 입체 형상물로 제조한다.
한편, 상술한 과정을 통해 제조된 입체 형상물의 형태를 수정하거나 다른 제품 형태, 예를 들어 무릎 보호대, 팔꿈치 보호대, 모자 등으로 성형하여 재활용하고자 할 경우, 입체 형상물을 상기 S4 단계에서의 가열 온도 범위로 가열하면, 다시 패턴시트(2)가 편평하게 펴지면서 원래의 평면 형태로 복원된다. 이 후 평면 형태로 복원된 복합체를 만들고자 하는 다른 제품 형태의 몰드에 놓고 성형하면 다시 변형되면서 몰드의 형태에 맞게 성형되므로 3D 텍스타일을 다양한 형태로 성형하여 사용할 수 있다.
다음으로 전술한 단계에 따라 입체 형상물로서 신발 갑피를 제조한 실시예를 설명한다.
실시예
일러스트레이터(Adobe Illustrator) 프로그램을 이용하여 15㎝ × 15㎝의 sinusoidal 패턴을 설계한다. Autodesk 123D Design 프로그램을 이용하여 두께를 1㎜로 설정하고 .stl 파일로 변환한 다음, 슬라이싱 프로그램인 cubicreator 3.0을 이용하여 .gcode 파일로 변환한다.
이러한 .gcode 파일로 변환된 패턴 정보를 FDM 3D 프린터(Cubicon single plus, Cubicon, Korea)에 입력하고, 패턴시트(2)를 형성할 재료인 열가소성 폴리우레탄(TPU) 필라멘트와 형상기억 열가소성 폴리우레탄(SMP TPU) 필라멘트에 대해 아래와 같은 출력조건을 입력한다.
사용재료 노즐온도(℃) 베드온도(℃) 출력속도(㎜/s) 채우기(%)
TPU 필라멘트 230 0 50 100
SMP 팔라멘트 230 50 50 100
그런 다음, 베이스시트(1)로서 두께 0.1㎜의 나일론 직물을 3D 프린터(10)의 작업 베드(11)와 동일한 사이즈로 준비하여 작업 베드(11) 상에 안착시키고, 출력조건에 따라 3D 프린터(10)의 노즐을 통해 베이스시트(1) 상에 sinusoidal 패턴으로 평판 형태의 패턴시트(2)를 출력한다.
이어서, 3D 프린터(10)에서 만들어진 베이스시트(1)와 패턴시트(2)의 복합체를 신발 갑피와 대응하는 형태를 갖는 몰드(20) 위에 안착시키고, 가열챔버(30) 내부에 투입하여 70℃의 온도에서 5분 동안 가열하면, 베이스시트(1)와 패턴시트(2)의 복합체가 연화되면서 몰드(20)의 외면에 연접하여 몰드(20)의 외형과 대응하는 형태로 변형된다.
이어서 변형된 베이스시트(1)와 패턴시트(2)의 복합체를 몰드(20)에서 인출하여 냉각하고, 복합체의 하단 테두리 부분을 몰드(20)의 하단 테두리 부분에 맞추어 접거나 절단하여 원하는 신발 갑피 형태로 입체 형상물을 제조한다.
이와 같이 나일론 직물 상에 열가소성 폴리우레탄(TPU) 및 형상기억 열가소성 폴리우레탄(SMP TPU)으로 만들어진 신발 갑피 입체 형상물에 대해 IR 특성 분석과 DMTA 특성 분석, DSC 특성 분석, TGA 특성 분석, XRD 특성 분석 등을 수행한 결과, 열가소성 폴리우레탄(TPU)은 유리전이온도가 나타나지 않았으나, 형상기억 열가소성 폴리우레탄(SMP TPU)의 경우 45.7~46.7℃ 에서 유리전이온도를 나타내었다. 또한 열가소성 폴리우레탄(TPU)은 성형 공정(단계 S4) 후에 결정성에 변화가 거의 없으나, 형상기억 열가소성 폴리우레탄(SMP TPU)은 성형 공정이 진행됨에 따라 결정성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
강연도 분석 결과, Drape stiffness 및 Flex stiffness 의 경우, 형상기억 열가소성 폴리우레탄(SMP TPU)/나일론 직물 복합체(이하 'SMP 복합체')가 열가소성 폴리우레탄(TPU)/나일론 복합체(이하 'TPU 복합체')보다 더 큰 값을 나타내는 것을 확인하였다.
또한 인장강신도 분석 결과, TPU 복합체의 최대 강도는 성형 공정 직전에 7.7MPa, 성형 공정 이후에 8.8 MPa 로 나타났고, SMP 복합체는 성형 전에 8.1 MPa, 성형 공정 이후에 9.1 MPa 로 나타났으며, 성형 공정이 진행됨에 따라 최대 강도가 점차적으로 증가하는 것으로 확인되었다.
TPU 복합체의 파단시 연신률은 성형 공정 이전에 526.0%이고, 성형 공정 후 476.9% 로 나타났으며, SMP 복합체의 파단시 연신률은 성형 공정 이전에 68.2%이고, 성형 공정 후 27.4% 로 나타났다.
초기탄성율은 연신율 1%에서의 인장강도 값으로 확인하였고, TPU 복합체 및 SMP 복합체의 성형 공정에서의 탄성계수는 SMP 복합체가 TPU 복합체에 비하여 약 1.5배 정도 더 높은 것으로 확인되었고, 성형 공정이 진행될수록 초기탄성율 값이 증가하는 경향을 보이는 것으로 확인되었다.
따라서 열처리를 통한 성형 공정이 강도 및 초기탄성율을 증가시킴을 확인하였고, SMP 복합체의 기계적 특성이 TPU 복합체보다 우수함을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
1 : 베이스시트 2 : 패턴시트
10 : 3D 프린터 11 : 작업 베드
20 : 몰드 30 : 가열챔버

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  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 직물 또는 수지로 된 베이스시트와; 상기 베이스시트 상에 특정한 패턴을 갖는 평판으로 출력되어 접합된 후 베이스시트와 함께 입체 형태로 성형되는 형상기억 고분자(SMP)로 된 열가소성 수지 재질의 패턴시트를 포함하는 입체 형상물을 제조하는 방법으로서,
    (S1) 3D 프린터에 패턴시트의 패턴 정보를 입력하는 단계;
    (S2) 베이스시트를 3D 프린터의 작업 베드 상에 안착시키는 단계;
    (S3) 3D 프린터에 입력된 패턴 정보에 따라 상기 베이스시트 위에 형상기억 고분자(SMP) 필라멘트를 출력하여 정해진 패턴을 갖는 평판 형태로 패턴시트를 만드는 단계;
    (S4) 상기 베이스시트 상에 출력되어 접합된 패턴시트의 복합체를 입체 형상을 갖는 몰드 위에 안착시키고 형상기억 고분자(SMP)의 유리전이온도 범위로 가열하여 베이스시트와 패턴시트의 복합체를 몰드와 대응하는 입체 형태로 성형하는 단계; 및,
    (S5) 몰드의 입체 형태와 대응하는 형태로 성형된 베이스시트와 패턴시트의 복합체의 테두리를 마무리 가공하여 최종적인 입체 형태를 갖는 입체 형상물로 제조하는 단계;
    를 포함하는 3D 프린팅을 이용한 입체 형상물의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서, 상기 S5 단계 이후에 입체 형상물의 형태를 수정하거나 다른 형태로 성형하여 재활용하고자 할 경우, 입체 형상물을 상기 S4 단계의 온도 범위로 가열하여 평판 형태로 복원하는 3D 프린팅을 이용한 입체 형상물의 제조 방법.
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