KR102298104B1 - 투명도를 향상시킨 광경화방식 3d 프린팅용 재료 - Google Patents
투명도를 향상시킨 광경화방식 3d 프린팅용 재료 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 광경화 방식 3D 프린팅용 재료에 관한 것으로, 올리고머 재료로서, Bis-EMA와 UDMA를 포함하며, 중량(%) 비율로 상기 Bis-EMA와 UDMA의 혼합 비율이 2:1 이상인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 SLA 방식, DLP 방식 등의 3D 프린터에서 사용되는 광중합재료의 광경화에 의한 변색을 방지하여 투명도를 향상시킨 3D 프린팅용 재료에 관한 것이다.
21세기 첨단기술의 총아로 손꼽히는 3D 프린터는 컴퓨터 설계 프로그램으로 만든 3차원 데이터를 바탕으로 실물의 입체 모양 그대로 성형품을 제작할 수 있는 프린터이다.
3D 프린터는 열에 녹는 고체 플라스틱 소재를 실타래처럼 뽑아 이것을 조금씩 녹여가며 쌓는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식을 비롯하여, 광경화수지에 레이저 광을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(StereoLithography Apparatus) 방식, SLA 방식에서 광경화수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하며 레이저 광선을 주사하여 고결시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Slective Laser Sintering) 방식, 광경화수지가 저장된 저장조의 하부로 광을 조사하여 부분적으로 경화되는 원리를 이용한 DLP(Digital Light Processing) 방식 등이 있다.
이 중에서 SLA 방식 및 DLP 방식의 3D 프린터는 모두 광경화성 액상수지를 이용하는데, 광경화성 액상수지를 저장하면서 광이 투과되는 투명 수조가 이용된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 광경화 방식의 3D 프린터에 사용되는 광경화성 액상수지 또는 고분자 화합물은 3D 프린팅 직후에는 투명성을 가지는 형태로 출력이 되지만, 시간이 지날수록 갈변 현상이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 외형의 색상이 최종적으로 이면이 비치는 누리고 붉은 끼를 가지는 색으로 변색에 의해 투명성이 저하되는 문제가 발생함에 따라 최종적으로 투명한 광중합소재의 개발에 애로사항이 발생한다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광경화방식 3D 프린팅 재료에서 올리고머 재료로서, Bis-EMA와 UDMA를 포함하며, 중량(%) 비율로 상기 Bis-EMA와 UDMA의 혼합 비율이 2:1 이상으로 구성하여, 광중합 재료의 광경화에 의한 변색을 방지하고 지속적인 자외선광에도 변색이 발생하지 않는 투명성을 제공하는 광중합소재를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 광경화 방식 3D 프린팅용 재료에 있어서, 올리고머 재료로서, Bis-EMA와 UDMA를 포함하며, 중량(%) 비율로 상기 Bis-EMA와 UDMA의 혼합 비율이 2:1 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 전체 중량에서, 상기 Bis-EMA 45~65 wt%, 상기 UDMA 20~35 wt%, 2관능 모노머로 5~20wt%, 광개시제 0.1 ~5wt%가 포함될 수 있다.
또한, 상기 2관능 모노머로서, TEGDMA, TMPTMA, TMPTA, PEGDA, THFMA, TPGDA, TCDDMDA, NPGDA, EGDMA 중의 어느 하나가 사용될 수 있다.
또한, 상기 2 관능기 모노머로서 TEGDMA와 TMPTMA가 2:1 범위에서 혼합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광개시제로서, TPO, I-819, I-184 중의 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.
본 발명에 따른 3D 프린터용 고투과성 투명소재는 광중합 재료의 광경화에 의한 변색을 방지할 수 있다.
또한, 지속적인 자외선광에도 변색이 발생하지 않는 장점이 있다.
또한, 투명성을 목적으로 하는 광중합소재의 제조가 가능한 장점이 있다.
도 1은 기존 광경화방식 3D 프린터용 재료의 광중합 직후와 자외선 지속 노출시의 투명도를 나타낸 도면,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 DLP 방식의 3D 프린터에서 성형물 형성 과정 및 성형물 분리 과정이 도시된 참고도이다.
도 4는 본 발명에 따른 SLA 방식의 3D 프린터를 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예1 내지 실시예6에서, 경화시간 10/20/30/60/90분(min)의 총 5차례 시간 간격에 따른 자외선 노출시의 투명도를 나타낸 이미지이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 실시예7 내지 실시예16에서, 경화시간 10/20/30/60/90분(min)의 총 5차례 시간 간격에 따른 자외선 노출시의 투명도를 나타낸 이미지이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 DLP 방식의 3D 프린터에서 성형물 형성 과정 및 성형물 분리 과정이 도시된 참고도이다.
도 4는 본 발명에 따른 SLA 방식의 3D 프린터를 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예1 내지 실시예6에서, 경화시간 10/20/30/60/90분(min)의 총 5차례 시간 간격에 따른 자외선 노출시의 투명도를 나타낸 이미지이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 실시예7 내지 실시예16에서, 경화시간 10/20/30/60/90분(min)의 총 5차례 시간 간격에 따른 자외선 노출시의 투명도를 나타낸 이미지이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 2은 본 발명의 DLP 방식의 3D 프린터를 나타낸 구성도이며, 도 3은 도 2의 DLP 방식 3D 프린터의 동작과정을 나타낸 도면이다.
DLP 방식의 3D 프린터는 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 광경화성 수지(R)가 저장되는 이형 수조(10)와, 상기 이형 수조(10)의 상부에 위치되어 성형물(F)을 지지하는 프린팅 베드(20)와, 이형 수조(10)의 하부에서 수지를 경화시키는 광을 조사하는 광원(30)으로 이루어진다.
여기서, 상기 프린팅 베드(20)는 이형 수조(10)의 상부에서 성형물(F)을 지지할 수 있도록 주변 구조물에 고정되어 설치된다.
또한, 광원(30)은 광경화성 수지(R)를 경화시키는 레이저를 조사하는 DLP 프로젝터로 구성될 수 있다.
이러한 프린팅 베드(20) 및 광원(30)은 DLP 방식의 3D 프린터의 공지된 구성이므로 구체적인 설명은 생략한다. 또한, 광원(30)과 이형 수조(10) 사이에는 광 조사 방향을 조절하는 미러가 설치될 수 있으며, 이와 같은 구성 요소 외에 DLP 방식의 3D 프린터에 필요한 공지의 구성이 포함되어 구성될 수 있다.
도 3을 참조하여 동작 과정을 살펴보면, 이형 수조(10) 내에 열경화성 수지(R)를 넣고, 광원(30)을 통해 광을 조사하여 수지를 차례로 경화시켜 원하는 성형물(F)을 출력하여 제작한다. 이때 이형 수조(10)는 분리장치를 구성하는 베이스 플레이트(41)의 상부에 위치된다.
이후, 성형물(F)을 이형 수조(10)에서 분리하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 분리장치의 모터(43)를 구동하여 베이스 플레이트(41)의 한쪽 높이를 달리하면, 베이스 플레이트(41)가 힌지(45)를 중심으로 회전하면서 경사지게 위치되고, 이때 이형 수조(10)도 함께 경사지게 위치되면서 프린팅 베드(20)에 지지된 성형물(F)이 떨어지게 된다.
다음, 도 4는 본 발명에 따른 SLA 방식의 3D 프린터를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조면, SLA 방식의 3D 프린터는 이형 수조(10) 내에 광경화성 수지(R)를 저장하고, 이형 수조(10) 하부에서 레이저 조사기(51)를 통해 조사된 레이저를 다이내믹 미러(55)를 통해 조절하면서 광경화성 수지(R)를 경화시켜 원하는 성형물(F)을 제작하도록 구성된다.
도 2 내지 도 4에서 설명한, SLA 방식 및 DLP 방식의 3D 프린터는 모두 광경화성 액상수지를 이용하는데, 이러한 광경화방식 3D 프린팅용 재료는 액체(liquid) 형상의 재질을 분사한 후에, 자외선(UV)을 조사하였을 때에 경화가 되는 특성을 가지는 소재를 이용한다.
특히, 본 발명에 따른 광경화방식 3D 프린팅용 재료는 기존의 자외선 지속 노출시에 발생하는 갈변 현상을 해소하기 위해 고투광성 투명소재가 요구되며, 이하에서 자세히 살펴본다.
<본 발명에 따르는 3D 프린팅 재료>
본 발명에서 제안하는 3D 프린팅 재료는 광중합형 고분자화합물의 배합 또는 조성에 따라 고투광성 투명소재를 사용한다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광중합형 고분자화합물은, 가령, 올리고머 재료로서 Bisphenol A ethoxylate dimethacrylate(이하, Bis-EMA)와 Urethane dimethacrylate(이하, UDMA)가 사용된다.
가령, 표 1 내지 표 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광중합형 고분자화합물로서, 올리고머 재료로서 Bis-EMA와 UDMA의 적절한 배합 또는 조성비를 실시예 1 내지 실시예 16에서 설명한다.
부연하면, 실시예1 내지 실시예 6은, Bis-EMA와 UDMA의 비율이 2:1 이상인 경우를 예로 들었으며, 실시예7 내지 실시예 16은 Bis-EMA와 UDMA의 비율이 2:1 미만인 경우를 예로 들어 설명한다.
먼저, 표 1 및 표 2는 본 발명에 따른 광중합형 고분자화합물로서 실시예1 내지 실시예 6을 나타낸 것이며, 특히, 표 2는 표 1에서 Bis-EMA와 UDMA의 조성비를 보다 자세히 나나탠 것이며, 도 5는 표 1에 따른 실시예1 내지 실시예6에서, 경화시간 10/20/30/60/90분(min)의 총 5차례 시간 간격에 따른 자외선 노출시의 투명도를 나타낸 이미지이다.
표 1, 표 2 및 도 5를 참조하면, 실시예1 내지 실시예6에서, Bis-EMA와 UDMA의 중량% 혼합비가 2:1 이상으로, 첨가되는 Bis-EMA의 양이 비례적으로 많을 때 경화에 따른 지속시간에서 변색이 적도 투명도가 개선됨을 알 수 있다.
또한, 실시예1 내지 실시예 4를 참조하면, Bis-EMA의 첨가량이 UDMA의 3배수 이상일 경우, 즉, Bis-EMA와 UDMA의 혼합비율이 3:1에 근접하면 초기에는 누린 끼를 보이나, 자외선광에 지속적으로 노출될 시, 점차 투명한 색으로 변한다. 가령, 10분, 20분, 30분 까지는 황변이 확인가능하나, 60분 이상의 지속적인 자외선의 조사를 받을 경우(60분, 90분)의 투명성이 증대되어 투명성 고분자 화합물을 얻을 수 있다. 이에, Bis-EMA와 UDMA의 혼합비율이 3:1에서는 투명도를 보장하기 위해서는 추가 경화시간에 많은 시간과 비용이 소요될 수 있다.
반면에, 실시예 5 및 실시예6과 같이, Bis-EMA의 첨가량이 UDMA의 2이상 ~2.5 이하 범위의 경우로서 Bis-EMA와 UDMA의 혼합비율이 2:1에 근접할수록 자외선 광에 오래 노출되어도 육안상 색의 변화가 적어 추가 경화에 보다 적은 시간이 소요된다.
또한, 베이스(base) 물질로서 Bis-EMA와 UDMA의 첨가 이외에 2 관능기 이상의 모노머(Monomer)와의 혼합으로 투명도를 개선할 수 있다. 즉, 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 4에서 Bis-EMA의 첨가량이 UDMA의 3배수에 이상일 경우에는 투명도 개선에 추가 경화시간이 필요하며, 이에 따른 경화시간 증가(자외선 조사)의 비용 및 시간이 요구될 수 있다.
이에, 1 관능기 이상의 2관능 모노머로서, Triethylene glycol dimethacrylate(TEGDMA), Trimethylopropane trimethacrylate(TMPTMA), Trimethylolpropane triacrylate(TMPTA), Polyethylene glycol diacrylate(PEGDA), Tetra-hydro-furfuryl Methacrylate(THFMA), Tri(propylene glycol) diacrylate(TPGDA), Tricyclo[5.2.1.02,6]decanedimethanol diacrylate(TCDDMDA), Neopentyl glycol diacrylate(NPGDA), Ethylene glycol dimethacrylate(EGDMA) 등이 사용될 수 있다.
특히, 실시예 5에서와 같이, 중량비로 Bis-EMA 70.59%, UDMA의 29.41%로 배합할 경우에는 광중합 직후에 투명도가 우수할 뿐 아니라 추가 경화를 60분 이상(60분, 90분 이상) 진행해도 투명성이 일정한 결과를 도출할 수 있어, 고투광성의 투명도가 우수함을 확인할 수 있다.
가령, 실시예 5와 실시예 6에서와 같이, 2관능기 모노머로서 TEGDMA와 TMPTMA가 첨가될 경우 투명도 개선에 효과가 있으며, TEGDMA와 TMPTMA의 중량비가 2:1 이상으로 첨가된 실시예 5의 경우가 실시예6에서 처럼 1:1의 비율로 혼합될 경우보다 육안상 더 높은 투명성을 보이는 것을 확인할 수 있어, 가장 바람직한 실시예임을 확인할 수 있다.
또한, 광촉매를 위한 광개시제(Photo-initiator)로서, Diphenyl(2, 4, 6-trimethlybenzoyl)phosphine oxide(TPO), Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phenyl phosphine oxide(I-819), 1-hydroxy-cyclohexylphenyl ketone(I-184) 등이 사용될 수 있다. 이러한 광 개시제는 자외선광의 파장에 따라 경화도와 황변의 정도에서 차이가 날 수 있어 5% 이하 범위에서 첨가되는 것이 바람직하다.
이어, 표 3 및 표 4는 본 발명에 따른 광중합형 고분자화합물로서 실시예7 내지 실시예 16을 나타낸 것이며, 특히, 표 4는 표 3에서 Bis-EMA와 UDMA의 조성비를 보다 자세히 나나탠 것이며, 도 6 및 도 7은 표 2에 따른 실시예7(도 6a) 내지 실시예16(도 7j)에서, 경화시간 10/20/30/60/90분(min)의 총 5차례 시간 간격에 따른 자외선 노출시의 투명도를 나타낸 이미지이다.
표 3, 표 4 및 도 6, 도7을 참조하면, 실시예7 내지 실시예16에서, Bis-EMA와 UDMA의 중량% 혼합비가 2:1 미만인 경우에는 UV 경화에 의한 변색이 발생하여 투명도를 저하시킴을 알 수 있다. 이에 따라, 그 비율이 2:1 보다 낮을 경우에는 자외선 조사에 의한 불투명성이 증가하여 투명한 고분자화합물을 얻을 수 없음을 확인할 수 있다.
이상에서, 실시예1 내지 실시예 16을 살펴보면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광중합형 고분자화합물은, 전체 중량에서, Bis-EMA 45~65 wt%, UDMA 20~35 wt%, TEGDMA 5~20wt%, TMPTMA 2~10wt%, TPO 0.1 ~5wt%가 바람직하다.
이때, Bis-EMA와 UDMA는 중량비율로 적어도 2:1 이상을 유지할 필요가 있으며, 2 관능기 모노머로서 TEGDMA와 TMPTMA가 2:1 범위에서 혼합되는 것이 가장 우수한 투명도를 보여준다.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 이형 수조
20 : 프린팅 베드 30 : 광원
41 : 베이스 플레이트 43 : 모터
45 : 힌지 51 : 레이저 조사기
55 : 다이내믹 미러 60 : 프린팅 베드
R : 광경화성 수지 F : 성형물
20 : 프린팅 베드 30 : 광원
41 : 베이스 플레이트 43 : 모터
45 : 힌지 51 : 레이저 조사기
55 : 다이내믹 미러 60 : 프린팅 베드
R : 광경화성 수지 F : 성형물
Claims (5)
- 광경화 방식 3D 프린팅용 재료에 있어서,
올리고머 재료로서, Bis-EMA와 UDMA를 포함하며,
전체 중량(%) 비율로 상기 Bis-EMA 45 ~ 65 wt%, 상기 UDMA 20 ~ 35 wt%, 2관능 모노머로 5 ~ 20wt%, 광개시제 0.1 ~ 5wt%가 포함되고,
상기 Bis-EMA의 첨가량이 상기 UDMA의 2 이상 ~ 2.5 이하 범위를 갖고,
상기 2 관능기 모노머로서 TEGDMA와 TMPTMA가 2:1 범위에서 혼합되는 것을 특징으로 하는 광경화 방식 3D 프린팅용 재료. - 청구항 1에 있어서,
상기 광개시제로서, TPO, I-819, I-184 중의 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 광경화 방식 3D 프린팅용 재료. - 삭제
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200018134A KR102298104B1 (ko) | 2020-02-14 | 2020-02-14 | 투명도를 향상시킨 광경화방식 3d 프린팅용 재료 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200018134A KR102298104B1 (ko) | 2020-02-14 | 2020-02-14 | 투명도를 향상시킨 광경화방식 3d 프린팅용 재료 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210103685A KR20210103685A (ko) | 2021-08-24 |
| KR102298104B1 true KR102298104B1 (ko) | 2021-09-06 |
Family
ID=77507129
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020200018134A KR102298104B1 (ko) | 2020-02-14 | 2020-02-14 | 투명도를 향상시킨 광경화방식 3d 프린팅용 재료 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PT2986654T (pt) * | 2013-04-18 | 2020-06-17 | Dentca Inc | Composições de resinas fotocuráveis e método para as utilizar em impressão tridimensional para o fabrico de dentes artificiais e de bases de próteses dentárias |
| KR101754251B1 (ko) | 2014-11-13 | 2017-07-06 | 주식회사 캐리마 | 광조형 방식 3d 프린터용 광경화 수지 조성물 |
-
2020
- 2020-02-14 KR KR1020200018134A patent/KR102298104B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20210103685A (ko) | 2021-08-24 |
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