KR102288669B1 - 3d 프린팅 조성물 및 이를 이용한 인솔의 제조방법 - Google Patents

3d 프린팅 조성물 및 이를 이용한 인솔의 제조방법 Download PDF

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박건욱
유재근
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Abstract

본 발명의 일 측면은, 융점이 120~300℃인 제1 열가소성 수지, 및 융점이 40~80℃인 제2 열가소성 수지를 포함하는 3D 프린팅 조성물 및 이를 이용한 인솔의 제조방법을 제공한다.

Description

3D 프린팅 조성물 및 이를 이용한 인솔의 제조방법{A 3D PRINTING FILAMENT AND A METHOD FOR MANUFACTURING AN INSOLE USING THE SAME}
본 발명은 3D 프린팅 조성물 및 이를 이용한 인솔의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는, 사용자의 족형에 실질적으로 완전히 부합하는 인솔을 신속하게 제조할 수 있고, 필요에 따라, 제조된 인솔을 사용자가 쉽게 재성형할 수 있는 3D 프린팅 조성물 및 이를 이용한 인솔의 제조방법에 관한 것이다.
신발 인솔은 사용자의 족저부와 직접 접족하므로 착화감, 쿠션감 등에 가장 큰 영향을 미치는 신발 부재이다. 일반적으로 신발 인솔은 대량생산을 통해 동일한 형태로 제조되어 신발에 결합된 상태로 판매된다. 즉, 사용자가 신발의 색상 및 디자인을 선택한 후 신발 사이즈를 기준으로 착용하여 발에 맞는 신발을 구매하거나, 온라인 상에서 사이즈와 디자인을 보고 선택하여 구매하는 방식으로 제공되고 있다.
그러나, 사람의 발 형상은 개개인마다 다른 형태를 띠고 있어 신발을 선택할 때 단순히 발의 치수만이 고려대상이 될 수 없으며, 좌우 발 치수, 발등의 두께, 발볼의 넓이, 개개인의 착용감 기호도가 달라 기성 제품으로는 모든 사용자들을 만족시키는 것은 실질적으로 불가능하다. 또한, 발의 외형적인 크기, 예를 들어, 발 직선거리, 발볼 거리, 발꿈치 너비, 발 볼 둘레 등으로 인한 신발의 형상뿐만 아니라 발의 건강 상태나 운동 등에 필요한 경우에 따른 최적화된 신발 인솔이 요구된다.
특히, 족저근막염, 관절염, 순환장애, 중족골통증, 무릎 통증, 아킬레스건염 등의 발 관련 질환이 있는 사용자의 경우 기성 제품에 결합된 인솔에 의해 발의 질환이 심각해질 우려가 있고 합병증 등의 기타 질환으로 이어질 수 있다. 이러한 발 질환을 가진 사용자는 맞춤형 인솔을 착용함으로써 발 질환의 악화를 예방하고 기타 부상을 방지할 수 있다. 예를 들어, 맞춤형 신발 인솔은 사용자가 착용하고 걸을 때의 체중으로부터 올 수 있는 충격을 기성 제품보다 양호하게 분산시키거나, 격렬한 운동 중에 발걸음을 내딛거나 발이 회전될 때 부상당하기 용이한 발, 발목, 다리, 무릎, 등 등에 대한 부상을 방지할 수 있다.
다만, 사용자가 맞춤형 신발 인솔을 제작하기 위해서는 신발 전문가에게 의뢰하여 족형 및 치수를 정밀하게 측정하고, 측정한 데이터에 기초하여 수작업으로 맞춤형 신발을 제조하는 경우 가격적인 면에서도 부담될 뿐만 아니라 제조 기간도 길어 일반 사용자가 불편함을 겪을 수 있고 빠른 제조 및 착용이 어려울 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 3D 스캐너를 이용하여 발을 스캐닝하여 가상 착화상태로 제시하고 사용자가 요구하는 정보를 데이터화하고, 이 데이터를 기반으로 3D 프린터를 이용하여 신발을 제조하는 방식이 제안되었으나, 3D 스캐너를 이용한 가상 착화상태의 구현은 착화감, 쿠션감 등의 실제적인 착화상태의 구현이 불가능하여 사용자에게 완벽하게 만족시키는 것이 어려울 수 있다.
3D 프린터는 설계 데이터를 바탕으로 액체, 파우더 형태의 수지, 금속 분말, 고체 등과 같은 재료를 가공 및 적층하여 제품을 제조하는 장비이며, 3D 프린터 기술은 재료에 따라 FDM(Fused Deposition Modeling), SLS(Selective Laser Sintering), SLA(Stereo Lithography Apparatus) 방식으로 나눌 수 있다.
FDM 방식은 필라멘트 형태의 열가소성 재료를 노즐 내에서 녹여 얇은 필름 형태로 출력하는 것이고, SLS 방식은 분말에 선택적으로 레이저 또는 접착제를 조사하여 제품을 출력하는 것이며, SLA 방식은 광경화성 재료에 레이저 광선을 주사하여 제품을 출력하는 방식이다. 이들 중 FDM 방식이 다른 방식에 비해 생산 단가가 저렴하고, 소형화 적용에 용이하여 상업용에서 가정용까지 적용 범위가 확대되면서 3D 프린터가 대중화되는 추세이다.
다만, 가격이 저렴하고 크기가 작아 널리 보급된 FDM 방식의 3D 프린터는 품질 개선이 시급한 실정이다. 현재까지 FDM 방식의 3D 프린터의 속도와 성형품의 품질은 상호 트레이드-오프(trade-off) 관계에 있다. 성형품의 외관 및 기계적 물성을 개선하기 위해 적층되는 단위 층의 두께를 얇게 설정하면 프린팅 속도가 느려지고, 반대로, 프린팅 속도를 빠르게 설정하면 성형품의 외관 및 기계적 물성이 저하될 수 있다.
따라서, 신발의 내부에 위치하므로 그 외관이 상대적으로 중요시되지 않는 신발 인솔에 대해서는, 제작에 소요되는 시간을 단축하여 생산성을 높임과 동시에 사용자의 건강 상태, 사용 목적, 및 다양한 기호도를 만족시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 사용자의 족형에 실질적으로 완전히 부합하는 인솔을 신속하게 제조할 수 있고, 필요에 따라, 제조된 인솔을 사용자가 쉽게 재성형할 수 있는 3D 프린팅 조성물 및 이를 이용한 인솔의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 융점이 120~300℃인 제1 열가소성 수지, 및 융점이 40~80℃인 제2 열가소성 수지를 포함하는 3D 프린팅 조성물을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 3D 프린팅 조성물 중 상기 제2 열가소성 수지의 함량은 5~35중량%일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은, (a) 상기 3D 프린팅 조성물을 적층 가공하여 격자 구조를 포함하는 1차 성형체를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 1차 성형체를 미리 정해진 온도로 가열하여 사용자의 족저부와 압착한 후 냉각하여 2차 성형체를 제조하는 단계;를 포함하는 인솔의 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 1차 성형체를 60~110℃의 온도로 가열할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 2차 성형체의 상온 굴곡강도는 5~70MPa일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 3D 프린팅 조성물은, 상이한 융점을 가지는 2종 이상의 열가소성 수지를 포함하고, 이를 적층 가공하여 격자 구조를 포함하는 1차 성형체를 제조한 다음, 상기 1차 성형체를 미리 정해진 온도로 가열하여 사용자의 족저부와 압착시킴으로써 사용자의 족형에 실질적으로 완전히 부합하는 인솔을 신속하게 제조할 수 있고, 필요에 따라, 제조된 인솔을 사용자가 쉽게 재성형할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인솔의 제조방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 및 2차 성형체의 표면을 나타낸다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 측면은, 융점이 120~300℃인 제1 열가소성 수지, 및 융점이 40~80℃인 제2 열가소성 수지를 포함하는 3D 프린팅 조성물을 제공한다.
상기 제1 열가소성 수지는 인솔에 필요한 기계적 물성, 구체적으로, 내구성, 내굴곡성을 제공할 수 있다.
상기 3D 프린팅 조성물 중 상기 제1 열가소성 수지의 함량은 65~95중량%일 수 있다. 상기 3D 프린팅 조성물 중 상기 제1 열가소성 수지의 함량이 65중량% 미만이면 50℃ 이상의 온도에서 점도가 과도하게 낮아져 성형은 용이하나 냉각시 형태가 적절히 고정되지 않는 문제가 있고, 작은 하중에 의해서도 쉽게 굴곡되어 사용자에게 적절한 지지효과를 제공할 수 없다. 반대로, 상기 3D 프린팅 조성물 중 상기 제1 열가소성 수지의 함량이 95중량% 초과이면 80℃ 이하의 온도에서는 적절히 가소화되지 않아 사용자가 가하는 압력에 관계없이 성형 및/또는 재성형이 불가하다.
상기 제1 열가소성 수지의 융점은 120~300℃일 수 있다. 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 120℃ 미만이면 신발 인솔에 필요한 수준의 내구성, 내굴곡성을 제공할 수 없고, 300℃ 초과이면 2차 성형체의 제조시 1차 성형체가 필요한 수준으로 가소화되기 어렵다.
상기 제1 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리카프로락톤, 폴리비닐클로라이드, 폴리아마이드, 열가소성 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 폴리에틸렌 및/또는 폴리프로필렌일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 열가소성 수지는 상기 3D 프린팅 조성물과 이를 이용하여 제조된 신발 인솔에 유연성, 쿠션감, 착화감을 부여함과 동시에 상기 신발 인솔이 저온 성형 및 재성형되도록 할 수 있다.
상기 제2 열가소성 수지의 융점은 40~80℃일 수 있다. 상기 제2 열가소성 수지의 융점이 40℃ 미만이면 점도가 과도하게 낮아져 성형은 용이하나 냉각시 형태가 적절히 고정되지 않는 문제가 있고, 작은 하중에 의해서도 쉽게 굴곡되어 사용자에게 적절한 지지효과를 제공할 수 없다. 반대로, 상기 제2 열가소성 수지의 융점이 80℃ 초과이면 2차 성형체의 제조시 1차 성형체가 필요한 수준으로 가소화되기 어렵다.
상기 3D 프린팅 조성물 중 상기 제2 열가소성 수지의 함량은 5~35중량%일 수 있다. 상기 3D 프린팅 조성물 중 상기 제2 열가소성 수지의 함량이 5중량% 미만이면 80℃ 이하의 온도에서는 적절히 가소화되지 않아 사용자가 가하는 압력에 관계없이 성형 및/또는 재성형이 불가할 수 있고, 35중량% 초과이면 50℃ 이상의 온도에서 점도가 과도하게 낮아져 성형은 용이하나 냉각시 형태가 적절히 고정되지 않는 문제가 있고, 작은 하중에 의해서도 쉽게 굴곡되어 사용자에게 적절한 지지효과를 제공할 수 없다.
상기 제2 열가소성 수지는 열가소성 엘라스토머를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어, "열가소성 엘라스토머"는 실온에서 고무의 성질, 즉, 탄성을 가지지만 고온에서는 가소화되어 각종 성형 가공이 가능한 고분자 소재를 의미한다. 예를 들어, 상기 열가소성 엘라스토머는 폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리우레탄계, 폴리에스테르계, 염화비닐계 및 이들 중 2 이상의 조합 또는 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제2 열가소성 수지는 올레핀 블록 공중합체, 에틸렌/α-올레핀 공중합체, 프로필렌/α-올레핀 공중합체, EPDM(ethylene propylene diene monomer rubber), EPM(ethylene propylene monomer rubber), 이들과 공중합될 수 있는 하나 이상의 공단량체로 이루어진 공중합체 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin Elastomer, POE)를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 에틸렌/α-올레핀 공중합체, 프로필렌/α-올레핀 공중합체 및/또는 EPDM을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 올레핀 블록 공중합체는 상표명 인퓨즈(INFUSE)TM의 올레핀 블록 공중합체(다우 케미칼 컴퍼니) 및 셉톤(SEPTON)TM V-시리즈, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 공중합체(쿠라레이 컴퍼니 리미티드(Kuraray Co., LTD.)로 시판되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 에틸렌/α-올레핀 공중합체는 상표명 타프머(TAFMER)TM(예: 타프머 DF710) (미츠이 케미칼즈 인코포레이티드) 및 인게이지(ENGAGE)TM(예: 인게이지 8150) (다우 케미칼 컴퍼니)로 시판되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 프로필렌/α-올레핀 공중합체는 상표명 비스타맥스(VISTAMAXX)TM 6102 등급(엑손 모빌 케미칼 컴퍼니), 타프머TM XM (미츠이 케미칼즈 인코포레이티드) 및 버시파이(VERSIFY)TM (다우 케미칼 컴퍼니)로 시판되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 EPDM은 약 0.5~10중량%의 디엔 함량을 가질 수 있다. 상기 EPM은 약 45~75중량%의 에틸렌 함량을 가질 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어, "공단량체"는 에틸렌 또는 프로필렌 단량체와 같은 올레핀 단량체와 중합되기에 적합한 올레핀 공단량체를 지칭한다.
상기 공단량체는 지방족 C2-C20 α-올레핀을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 적합한 지방족 C2-C20 α-올레핀은, 예를 들어, 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-옥타데센, 1-에이코센 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 공단량체는 비닐 아세테이트일 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어, "공중합체"는 동일한 중합체 사슬에서 2종 이상의 단량체를 연결함으로써 제조된 중합체를 의미한다. 반대로, "단독중합체"는 공단량체의 부재 하에 올레핀 단량체를 연결함으로써 제조된 중합체를 의미한다.
상기 공단량체의 함량은 상기 폴리올레핀 엘라스토머의 중량을 기준으로 0~12중량%, 바람직하게는, 0~9중량%, 더 바람직하게는, 0~7중량%일 수 있다. 또한, 상기 공단량체의 함량은 상기 폴리올레핀 엘라스토머의 약 2~30몰%, 바람직하게는, 약 3~30몰%, 더 바람직하게는, 약 6~30몰%일 수 있다. 상기 공중합체는 랜덤 또는 블록(헤테로상(heterophasic)) 공중합체일 수 있고, 바람직하게는, 프로필렌과 에틸렌의 랜덤 공중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀 엘라스토머는 올레핀 단독중합체, 단독중합체들의 블렌드, 2종 이상의 올레핀을 사용하여 제조된 공중합체, 2종 이상의 올레핀을 각각 사용하여 제조된 공중합체의 블렌드 및 2종 이상의 올레핀을 사용하여 제조된 공중합체와 블렌딩된 올레핀 단독중합체들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다. 상기 올레핀은 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-프로펜, 1-헥센, 1-옥텐, 다른 고급 1-올레핀 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
상기 폴리올레핀 엘라스토머는 많은 상이한 공정(예를 들어, 메탈로센 촉매 및 지글러-나타 촉매의 사용에 기초한 기체상 및 용액을 사용함) 및 임의적으로 에틸렌 및/또는 α-올레핀의 중합에 적합한 촉매를 사용하여 합성될 수 있다.
상기 폴리올레핀 엘라스토머에 사용되는 폴리에틸렌은 LDPE(저밀도 폴리에틸렌), LLDPE(선형 저밀도 폴리에틸렌), HDPE(고밀도 폴리에틸렌) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 폴리에틸렌은 폴리에틸렌은 초고분자량(UHMW), 고분자량(HMW), 중간분자량(MMW) 및 저분자량(LMW)으로 분류될 수 있다.
상기 3D 프린팅 조성물은 일정 량의 필러(충진제), 예를 들어, 실리카 입자를 더 포함할 수 있다. 상기 필러는 3D 프린팅 조성물 및 이로부터 제조된 인솔의 굴곡강도와 같은 내구성에 기여할 수 있다. 다만, 상기 실리카 입자는 비중이 높아 경량화를 저해하는 요인이 될 수 있으므로, 상기 3D 프린팅 조성물 중 상기 제1 및 제2 열가소성 수지 100중량부에 대해 10~40중량부의 함량으로 포함될 수 있다.
상기 3D 프린팅 조성물은 커플링제, 산화방지제, 활제, 공정 오일, 계면활성제, 안료 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 커플링제는 양 말단에 작용기를 포함하여, 일 말단에 위치한 작용기는 필러, 즉, 실리카 입자와, 타 말단에 위치한 작용기는 상기 제1 및/또는 제2 열가소성 수지의 고분자 사슬과 반응하여 신발 인솔의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
상기 커플링제는 실란계, 실록산계, 이들의 혼합물, 또는 이들의 중합체일 수 있고, 필요에 따라, 작용기, 치환기에 의해 변성된 것일 수 있으며, 바람직하게는, 실란계 커플링제일 수 있으며, 더 바람직하게는, 비스(3-(트리에톡시실릴)프로필)테트라설파이드일 수 있다.
상기 실란계 커플링제는 필러인 실리카 입자의 표면과 상기 제1 및/또는 제2 열가소성 수지의 고분자 사슬을 화학적으로 결합하여, 열가소성 수지와 필러 간의 상호작용 및 분산성을 향상시켜 3D 프린팅 조성물의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
상기 프로세스 오일은 파라핀 오일, 나프텐 오일, 아로마틱 오일 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다. 상기 프로세스 오일은 각종 수지와의 상용성, 가공성, 제품의 저온 특성, 항오염성, 내노화성, 탄성, 내마모성 등의 특성에 영향을 미칠 수 있다.
상기 프로세스 오일은 아로마틱계, 나프텐계, 파라핀계 오일일 수 있으며, 일반적으로, 수지와의 상용성은 아로마틱계, 나프텐계, 파라핀계 순일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 파라핀계 오일 중 화이트 오일일 수 있으며, 이는 고도로 정제된 파라핀 오일을 원료로 하여 장기간 축적된 기술과 철저한 품질관리하에서 제조된 오일로서, 우수한 산화안정성, 장시간 사용에도 빛과 열에 대한 변색과 오염이 적으며, 물 분리도가 우수하여 물 혼입시 유화를 일으키지 않으므로 배합에 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인솔의 제조방법을 나타낸다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 인솔의 제조방법은, (a) 상기 3D 프린팅 조성물을 적층 가공하여 격자 구조를 포함하는 1차 성형체를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 1차 성형체를 미리 정해진 온도로 가열하여 사용자의 족저부와 압착한 후 냉각하여 2차 성형체를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
도 1(a)를 참고하면, 상기 (a) 단계에서 상기 3D 프린팅 조성물을 적층 가공하여 격자 구조를 포함하는 1차 성형체를 제조할 수 있다. 상기 3D 프린팅 조성물의 조성, 작용효과에 대해서는 전술한 것과 같다.
본 명세서에 사용된 용어, "적층 가공"은 3차원 물체를 제조하기 위해 원료를 여러 층으로 쌓거나 결합시키는 3D 프린팅이 작동하는 방식을 의미한다. 즉, 전자 신호에 따라 원료를 층(layer)으로 겹쳐 쌓아서 3차원의 물체를 제조하는 방식을 의미한다. 제품화 단계에서 금형을 제작하는 등 중간 과정이 전혀 필요없고, 즉각적인 수정이 가능해 제품의 개발 주기 및 비용의 효율성을 높여준다.
상기 적층 가공은 FDM(fused deposition modeling), SLS(selective laser sintering)과 같은 공지의 방식으로 이루어질 수 있다. 상기 방식에 따라 상기 3D 프린팅 조성물을 적절한 형태로 사전 가공할 필요가 있다. 예를 들어, FDM 방식을 채택하는 경우 상기 조성물을 필라멘트 형태로 가공할 수 있고, SLS 방식을 채택하는 경우 상기 조성물을 파우더 또는 입자 형태로 가공할 수 있다.
예를 들어, 상기 적층 가공은, (a1) 상기 3D 프린팅 조성물을 필라멘트로 성형하여 노즐에 상기 필라멘트를 공급하는 단계; (a2) 상기 노즐을 상기 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도로 가열하는 단계; 및 (a3) 상기 노즐과 스테이지를 수평 및 상하 방향으로 이동시키면서 상기 노즐을 통해 상기 필라멘트를 토출하는 단계;를 포함하는 FDM 방식으로 이루어질 수 있다.
상기 적층 가공을 통해 얻어진 상기 1차 성형체는 격자 구조를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어, "격자 구조(lattice structure)"는 규칙적이고 주기적으로 배열해 있는 점과 선들이 형성하는 입체적인 그물 형태를 의미한다. 상기 1차 성형체는 적층 가공을 통해 얻어지므로, 상기 격자 구조는 2차원 평면상일 수 있고, 3차원 입체상일 수 있으며, 필요에 따라, 2차원 평면상 및 3차원 입체상이 혼재하는 형태를 가질 수도 있다. 상기 격자 구조는, 바람직하게는, 인솔 및 그에 따른 신발의 경량화를 위해 3차원 입체상을 가질 수 있고, 2차원 평면상을 혼재시켜 3차원 입체상으로만 구현하기 어려운 내구성을 보강할 수 있다.
도 1(b)를 참고하면, 상기 (b) 단계에서 상기 1차 성형체를 미리 정해진 온도로 가열하여 사용자의 족저부와 압착한 후 냉각하여 2차 성형체를 제조할 수 있다.
상기 1차 성형체를 미리 정해진 온도, 바람직하게는, 상기 제2 열가소성 수지의 융점 이상의 온도로 가열함으로써, 상기 3D 프린팅 조성물의 2차 성형에 필요한 가소성을 부여할 수 있다. 상기 가열은 일정 조건하에서 온수에 침지하는 방식, 오븐에 방치하는 방식, 열풍을 가하는 방식, 또는 이들 중 2 이상이 조합된 방식으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 (b) 단계에서 상기 1차 성형체를 60~110℃, 바람직하게는, 80~110℃의 온도로 가열할 수 있다. 상기 온도가 60℃ 미만이면 상기 3D 프린팅 조성물이 적절히 가소화될 수 없고, 110℃ 초과이면 과도하게 가소화되어 성형성이 저하되고 냉각시 형태를 고정하기 어렵다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 및 2차 성형체의 표면을 나타낸다.
도 2를 참고하면, 상기 2차 성형체는 상기 (a) 단계에서 상기 1차 성형체에 형성된 격자 구조를 포함할 수 있으나, 상기 (b) 단계에서 사용자에 의해 가해지는 압력에 의해 그 구조와 형태가 일부 변형될 수도 있다. 다만, 이 경우에도 상기 격자 구조를 이루는 점과 선들은 파손되지 않고 유지될 수 있다.
상기 1차 성형체는 임의의 빈 공간없이 일체로 이루어진, 이른바, "솔리드" 구조를 가지는 것이 아니라, 내부에 일정 수준의 빈 공간을 허용하는 격자 구조를 가지므로 인솔과 신발의 경량화, 유연성, 착화감에는 기여할 수 있는 반면에, 상기 격자 구조 중 일부가 파손되는 경우 신발의 내구성, 특히, 내굴곡성에는 악영향을 미칠 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 1차 성형체를 이루는 수지가 일정 수준으로 가소화된 상태에서 사용자에 의해 가압되므로, 상기 격자 구조를 구성하는 수지의 고분자 사슬의 간의 거리가 물리적으로 좁혀질 수 있고, 고분자 사슬-고분자 사슬 및/또는 고분자 사슬-필러 간 결합 또한 더 강화될 수 있으므로, 상기 격자 구조에 의해 다소 열화된 내굴곡성이 보강될 수 있다. 상기 2차 성형체의 상온 굴곡강도는 5~70MPa, 바람직하게는, 10~70MPa, 더 바람직하게는, 10~50MPa일 수 있다. 상기 2차 성형체의 상온 굴곡강도가 5MPa 미만이면 작은 하중에 의해서도 쉽게 굴곡되어 사용자에게 적절한 지지효과를 제공할 수 없고, 70MPa 초과이면 착용시 딱딱한 이물감을 일으켜 착화감이 저하될 수 있다. 상기 2차 성형체의 상온 굴곡강도는 제조된 인솔의 재성형시에도 그 범위가 유지될 수 있다.
상기 1차 성형체는 사용자의 족저부와 압착된 후 분리되어 냉각될 수 있다. 상기 냉각에 의해 상기 1차 성형체가 사용자의 족형에 실질적으로 완전히 부합하는 2차 성형체, 즉, 인솔로 제작될 수 있다. 상기 냉각 시 온도는 10~30℃, 바람직하게는, 상온일 수 있고, 시간은 1~60분, 바람직하게는, 10~30분일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
실시예 및 비교예
하기 표1 및 표 2의 조성비에 따라 각각의 성분을 180℃에서 배합 후 압출하여 3D 프린터 필라멘트를 제조하였고, 각각의 3D 프린터 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터에 적용하여 230℃로 가열된 노즐을 통해 용융, 토출시켜 평균 격자 크기가 3~5mm인 격자 구조를 가지는 인솔 형태의 성형체를 제조하였다.
-POE 1: 융점(Tm)이 60℃인 폴리올레핀 엘라스토머
-POE 2: 융점(Tm)이 100℃인 폴리올레핀 엘라스토머
-PP: 융점(Tm)이 160℃인 폴리프로필렌
성분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
POE 1 5 10 20 25 35
POE 2 - - - - -
PP 95 90 80 75 65
상용화제 3 3 3 3 3
가공 오일 3 3 3 3 3
실리카 25 25 25 25 25
첨가제 5 5 5 5 5
(단위: 중량부)
성분 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
POE 1 1 40 - -
POE 2 - - 35 5
PP 99 60 65 95
상용화제 3 3 3 3
가공 오일 3 3 3 3
실리카 25 25 25 25
첨가제 5 5 5 5
(단위: 중량부)
실험예 1
실시예 및 비교예에서 제조된 인솔 형태의 성형체를 하기 표 3의 온도의 온수에 1분 간 침지한 후, 사용자가 양말을 신은 상태에서 족저부(발 밑바닥)와 상기 성형체의 일 면을 밀착, 가압하여 2차 성형하였고, 상온에서 20분 간 냉각하여 인솔을 제작하였다. 비교예 5는 실시예 5의 필라멘트를 사용하여 제조된 인솔 형태의 성형체를 2차 성형하지 않은 상태로 평가한 것이다.
2차 성형된 신발 인솔에 대한 성형성, 상온에서의 굴곡강도 및 착화감을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
2차 성형성(@50℃) △ △ ○ ○ ○
2차 성형성(@80℃) ○ ○ ◎ ◎ ◎
2차 성형성(@110℃) ◎ ◎ ◎ ○ ○
굴곡강도(MPa) 62 51 49 27 15
착화감 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎
(◎: 우수, ○: 양호, △: 불량)
구분 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5
2차 성형성(@50℃) 성형 불가 △ 성형 불가 성형 불가 -
2차 성형성(@80℃) 성형 불가 △ 성형 불가 성형 불가 -
2차 성형성(@110℃) △ △ △ 성형 불가 -
굴곡강도(MPa) 72 2.7 78 성형 불가 8
착화감 △ △ △ 성형 불가 △
(◎: 우수, ○: 양호, △: 불량)
상기 표 3을 참고하면, 실시예의 필라멘트로 제조된 인솔 형태의 성형체는 50~110℃에서 모두 2차 성형 가능한 것으로 나타났으나, 2차 성형 온도 조건에 따라 POE 1의 함량이 10중량부 이하인 실시예 1, 2의 경우 50℃에서는 적절히 가소화되지 않아 성형성이 다소 불량하였다. 이와 같이 가소화 상태에 따른 성형성이 다소 불량하다 하더라도, 2차 성형 시 사용자가 상대적으로 큰 압력을 가하는 경우 사용자의 족형을 적절히 모사할 수 있었고, 그에 따른 굴곡강도와 착화감 또한 우수한 것으로 나타났다. 특히, 필라멘트 중 POE 1의 함량이 20~35중량%이고, 2차 성형 온도가 60~110℃, 바람직하게는, 80~110℃인 실시예 1~3의 경우 성형성, 굴곡강도 및 착화감이 모두 균형적으로 우수하게 나타났다.
반면, 상기 표 4를 참고하면, 필라멘트 중 POE 1의 함량이 1중량%인 비교예 1, 및 POE 1이 POE 2로 대체된 비교예 3, 4의 경우 50~80℃에서는 가소화되지 않아 사용자가 가하는 압력에 관계없이 성형이 불가하였고, 110℃로 승온된 조건에서 성형된 비교예 1, 3의 경우 최종적으로 얻어진 인솔의 상온 굴곡강도가 각각 72, 78MPa로 과도하게 높아 착용시 딱딱한 이물감을 일으켰다.
또한, 필라멘트 중 POE 1의 함량이 40중량%인 비교예 2의 경우 50℃ 이하에서 가소화되었고, 그 이상의 온도에서 점도가 과도하게 낮아져 성형은 용이하나 냉각시 형태가 적절히 고정되지 않는 문제가 있고, 작은 하중에 의해서도 쉽게 굴곡되어 사용자에게 적절한 지지효과를 제공할 수 없었다.
한편, 실시예 5의 필라멘트를 사용하여 제조된 인솔 형태의 성형체를 2차 성형하지 않은 상태로 평가한 비교예 5의 경우, 2차 성형한 실시예 5의 인솔에 비해 굴곡강도가 약 50% 가량 저하되었고, 이를 통해 격자 구조를 포함하는 인솔의 내굴곡성과 그에 따른 착화감이 2차 성형시 가해진 압력에 의해 더 개선되었음을 알 수 있다.
실험예 2
실시예 3~5에 따라 제조된 인솔의 재성형성을 평가하기 위해, 각각의 인솔을 3,000회 굴곡시킨 후, 80℃ 온도에 1분 간 침지한 후, 사용자가 양말을 신은 상태에서 족저부(발 밑바닥)와 상기 성형체의 일 면을 밀착, 가압하여 2차 성형하였고, 상온에서 20분 간 냉각하여 인솔을 재성형하였다. 재성형된 신발 인솔에 대한 상온에서의 굴곡강도 및 착화감을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
구분 실시예 3 실시예 4 실시예 5
2차 성형성(@80℃) ◎ ◎ ◎
굴곡강도(MPa) 36 23 9
착화감 ◎ ◎ ○
(◎: 우수, ○: 양호, △: 불량)
상기 표 5를 참고하면, 실시예 3~5의 신발 인솔은 모두 재성형성이 우수하였으나, 굴곡강도와 그에 따른 착화감이 재성형 전에 비해 다소 열화되었다. 특히, 필라멘트 중 POE 1의 함량이 상대적으로 많은 실시예 5의 경우 재성형된 인솔의 상온 굴곡강도가 10MPa 미만으로 나타나, 작은 하중에 의해서도 쉽게 굴곡되어 사용자에게 적절한 지지효과를 제공할 수 없었던 반면에, 필라멘트 중 POE 1의 함량이 20~30중량%인 실시예 3, 4의 경우 재성형된 인솔의 상온 굴곡강도가 36, 23MPa로 나타나, 2차 성형이 적절히 되지 않았거나 장기간 사용에 의해 인솔이 변형되었다는 등 필요한 수준의 착화감이 구현되지 않을 경우, 사용자가 인솔을 간편하게 재성형할 수 있을 것으로 예상된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. (a) 융점이 120~300℃인 제1 열가소성 수지, 및 융점이 40~80℃인 제2 열가소성 수지를 포함하는 3D 프린팅 조성물을 적층 가공하여 2차원 평면상 및 3차원 입체상이 혼재하는 격자 구조를 포함하는 1차 성형체를 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 1차 성형체를 80~110℃의 온도로 가열하여 사용자의 족저부와 압착한 후 냉각하여 2차 성형체를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 3D 프린팅 조성물 중 상기 제2 열가소성 수지의 함량은 10~35중량%인 인솔의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 2차 성형체의 상온 굴곡강도는 5~70MPa인 인솔의 제조방법.
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