KR102355157B1 - 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법 - Google Patents

적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102355157B1
KR102355157B1 KR1020200149371A KR20200149371A KR102355157B1 KR 102355157 B1 KR102355157 B1 KR 102355157B1 KR 1020200149371 A KR1020200149371 A KR 1020200149371A KR 20200149371 A KR20200149371 A KR 20200149371A KR 102355157 B1 KR102355157 B1 KR 102355157B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
filament
nozzle
layer
expandable
foaming
Prior art date
Application number
KR1020200149371A
Other languages
English (en)
Inventor
김동건
김효준
박건욱
유재근
전성표
유원호
심재륜
Original Assignee
한국신발피혁연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국신발피혁연구원 filed Critical 한국신발피혁연구원
Priority to KR1020200149371A priority Critical patent/KR102355157B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102355157B1 publication Critical patent/KR102355157B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/227—Driving means
    • B29C64/232—Driving means for motion along the axis orthogonal to the plane of a layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/227—Driving means
    • B29C64/236—Driving means for motion in a direction within the plane of a layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/321—Feeding
    • B29C64/336—Feeding of two or more materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/12—Thermoplastic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/04—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped cellular or porous
    • B29K2105/048—Expandable particles, beads or granules

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Molding Of Porous Articles (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

본 발명의 일 측면은, (a) 제1 열가소성 수지를 포함하는 비발포성 필라멘트, 및 제2 열가소성 수지 및 발포제를 포함하는 발포성 필라멘트를 기설정된 비율로 조합하여 단일의 노즐에 공급하는 단계; 및 (b) 상기 노즐과 스테이지를 수평 및 상하 방향으로 이동시키면서 상기 노즐을 통해 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 중 적어도 하나를 토출하는 단계;를 포함하는 성형품의 제조방법을 제공한다.

Description

적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING AN ARTICLE USING AN ADDITIVE MANUFACTURING}
본 발명은 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법에 관한 것이다.
3D 프린터란 3차원 도면(데이터)을 바탕으로 실물의 입체 모양을 그대로 인쇄(성형)하는 장치를 말한다. 즉, CAD 또는 3D 모델링 프로그램 등을 이용하여 3차원 도면을 완성한 후, 소정 데이터 인터페이스를 통해 해당 데이터가 프린터 측으로 전송되고, 이에, 3D 프린터는 전송된 도면 데이터를 기초로 해당 성형품을 만드는 과정을 수행하게 된다. 구체적으로, 해당 도면 데이터를 기초로 가상적인 단면을 만들어낸 후 금속 혹은 폴리머 등의 재료를 노즐을 통해 분사하면서 연속적인 층을 생성하고 융합함에 따라 해당 성형품이 제작된다.
3D 프린팅은 건축, 구조(AEC), 공업디자인, 자동차, 항공우주산업, 엔지니어링, 의료산업, 생물공학, 패션, 신발 등 다양한 제조업 분야에 적용되고 있다.
3D 프린팅 기술은 액체 기반 재료를 부분적으로 소결시켜 성형품을 제작하는 SLA(stereolithography) 방식과, 분말 기반 재료를 소결시켜 제작하는 SLS(selective laser sintering) 방식과, 고체 기반 재료를 토출시켜 성형품을 제작하는 FDM(fused deposition modeling) 등 다양한 방식이 있다.
특히, 가격이 저렴하고 크기가 작아 널리 보급된 FDM 방식의 3D 프린터는 품질 개선이 시급한 실정이다. FDM 방식의 3D 프린터는 플라스틱 필라멘트 등을 노즐의 열로 녹여 액체로 만든 후 이를 한 층씩 쌓아 입체 모형을 만드는 방식의 3D 프린터를 말한다. 이 같은 기술의 특성상 완성된 입체 모형의 표면에는 층이 선명하게 드러날 수밖에 없다. 층층이 나뉜 표면이 마치 계단처럼 그대로 겉면에 노출되는 것이다. 입체 모형을 적층할 때, 한 층의 두께를 최대한 얇게 설정하여 이러한 문제를 해결할 수 있으나, 너무 얇게 층을 쌓아 올리면 완성된 모형의 강도가 약해질 수 있다. 또한, 플라스틱 수지를 녹인 액체를 압출하여 적층하는 방식이기 때문에 층의 두께를 얇게 만드는 것에도 한계가 있다. 최근 출시된 FDM 방식의 3D 프린터는 대부분 약 0.1mm 두께로 인쇄할 수 있거나 이보다 얇은 두께로 설정할 수 있도록 지원하고 있지만, 두께를 너무 얇게 설정할 경우 인쇄 속도가 현저하게 느려진다.
완성된 모형의 강도가 약하다는 점도 향후 3D 프린팅 기술이 해결해야 할 과제 중 하나다. 3D 프린터의 기본 조형 원리는 모형을 아래부터 위로 한 층 한 층 쌓아 올리는 방식이다. 완성된 모형에 수직으로 가해지는 압력에는 잘 버틸 수 있지만, 수평으로 작용하는 충격이나 압력에는 쉽게 파손된다. 모형의 강도를 높이기 위해서는 적층되는 층의 두께를 가급적 얇게 하는 것이 유리하다. 모형의 밀도를 증가시킬 수 있기 때문이다. 하지만 이는 근본적인 문제를 해결해 주지 않는다. 아무리 높은 밀도로 모형을 만들어도, 소재의 특성에 따라 작은 충격에도 쉽게 파손될 수 있기 때문이다.
한편, 이러한 3D 프린팅 기술을 이용하여 성질이 상이한 2 이상의 부재가 결합된 성형품을 제조하는 경우, 예를 들어, 발포체와 비발포체가 결합 내지 접합된 성형품을 제조하는 경우, 복수의 3D 프린터를 이용하여 발포체 및 비발포체를 각각 제조하거나 단일의 3D 프린터를 이용하여 발포체 및 비발포체를 순차적으로 제조한 다음 이들을 상호 접착, 압착, 조립 등의 방식으로 결합시키는 공정이 필요하므로, 이러한 공정에 소요되는 인적, 경제적 부담이 가중될 수 있고, 특히, 단일의 3D 프린터를 이용하여 발포체 및 비발포체를 순차적으로 제조하는 경우 필라멘트의 교체에 따라 공정을 일시적으로 중단해야 하는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 적층 가공을 이용하여 발포체와 비발포체가 결합 내지 접합된 성형품을 제조하는 경우, 공정에 소요되는 인적, 경제적 부담을 경감시킬 수 있고 공정의 연속성을 유지하여 생산성을 개선할 수 있는 성형품의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, (a) 제1 열가소성 수지를 포함하는 비발포성 필라멘트, 및 제2 열가소성 수지 및 발포제를 포함하는 발포성 필라멘트를 기설정된 비율로 조합하여 단일의 노즐에 공급하는 단계; 및 (b) 상기 노즐과 스테이지를 수평 및 상하 방향으로 이동시키면서 상기 노즐을 통해 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 중 적어도 하나를 토출하는 단계;를 포함하는 성형품의 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 열가소성 수지는 각각 연질 또는 경질의 폴리올레핀 엘라스토머, 에틸렌계 공중합체, 스티렌계 공중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 나일론, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리락트산, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리옥시메틸렌 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 발포제는 팽창성 쉘의 내부에 탄화수소계 물리 발포제를 담지한 마이크로캡슐일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 마이크로캡슐의 함량은 상기 제2 열가소성 수지 100중량부에 대해 0.01~50중량부일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄화수소계 물리 발포제는 C1~C8의 탄화수소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 상기 노즐을 상기 제1 및 제2 열가소성 수지의 융점 및 상기 발포제의 팽창 개시온도 이상의 온도로 가열하고, 상기 발포성 필라멘트가 상기 노즐을 통과하면서 상기 발포제가 팽창할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는, 상기 노즐과 스테이지를 수평 및 상하 방향으로 이동시키면서 상기 노즐을 통해, (b1) 상기 비발포성 필라멘트를 토출하여 제1 층을 제조하는 단계; 및 (b2) 상기 발포성 필라멘트를 토출하여 제2 층을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 층 중 적어도 일부가 상기 제2 층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 0.05~3mm의 깊이로 침투하여 상기 제1 및 제2 층이 앵커링 효과(anchoring effect)에 의해 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b1) 및 (b2) 단계 사이에, (b1') 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 토출하여 중간층을 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 중간층의 두께는 0.1~5mm이고, 상기 중간층의 비중은 0.2~0.8g/cc일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 성형품의 제조방법은, 비발포성 필라멘트 및 발포성 필라멘트를 기설정된 비율로 조합하여 단일의 노즐에 공급하고, 상기 노즐을 통해 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 중 적어도 하나를 토출 및 적층시킴으로써, 발포체와 비발포체가 결합 내지 접합된 성형품을 제조하는 경우 공정에 소요되는 인적, 경제적 부담을 경감시킬 수 있고 공정의 연속성을 유지하여 생산성을 개선할 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 성형품의 제조방법을 도식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형품의 층간 계면을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 성형품의 층간 계면을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형품의 제조방법을 도식화한 것이다.
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, (a) 제1 열가소성 수지를 포함하는 비발포성 필라멘트, 및 제2 열가소성 수지 및 발포제를 포함하는 발포성 필라멘트를 기설정된 비율로 조합하여 단일의 노즐에 공급하는 단계; 및 (b) 상기 노즐과 스테이지를 수평 및 상하 방향으로 이동시키면서 상기 노즐을 통해 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 중 적어도 하나를 토출하는 단계;를 포함하는 성형품의 제조방법을 제공한다.
상기 (a) 및 (b) 단계를 포함하는 성형품의 제조방법은 적층 가공에 의해 이루어질 수 있다. 상기 적층 가공은 3차원 물체를 제조하기 위해 원료를 여러 층으로 쌓거나 결합시키는 3D 프린팅이 작동하는 방식으로, 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.
예를 들어, 상기 적층 가공은 열가소성 수지를 포함하는 필라멘트를 카트리지를 통해 노즐에 송급하고, 상기 노즐을 통해 상기 필라멘트를 용융, 토출하는 등의 공정을 포함하는 FDM 방식으로 이루어질 수 있다.
상기 (a) 단계에서 상기 제1 열가소성 수지를 포함하는 비발포성 필라멘트, 및 제2 열가소성 수지 및 발포제를 포함하는 발포성 필라멘트를 기설정된 비율로 조합하여 단일의 노즐에 공급할 수 있다.
상기 비발포성 필라멘트는 제1 열가소성 수지를 포함할 수 있고, 임의의 발포제를 포함하지 않은 점에서 상기 발포성 필라멘트와 구별될 수 있다.
상기 제1 열가소성 수지는 연질 또는 경질의 폴리올레핀 엘라스토머, 에틸렌계 공중합체, 스티렌계 공중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 나일론, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리락트산, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리옥시메틸렌 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 폴리우레탄을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는, 열가소성 폴리우레탄을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발포성 필라멘트는 제2 열가소성 수지 및 발포제를 포함할 수 있다.
상기 제2 열가소성 수지는 연질 또는 경질의 폴리올레핀 엘라스토머, 에틸렌계 공중합체, 스티렌계 공중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 나일론, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리락트산, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리옥시메틸렌 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
특히, 상기 제2 열가소성 수지는 열가소성 엘라스토머, 바람직하게는, 에틸렌계 공중합체일 수 있다. 예를 들어, 상기 에틸렌계 공중합체는 에틸렌비닐아세테이트, 에틸렌부틸아크릴레이트, 에틸렌에틸아크릴레이트 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 에틸렌비닐아세테이트일 수 있으며, 더 바람직하게는, 비닐아세테이트의 함량이 10~20중량%인 에틸렌비닐아세테이트일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발포제는 팽창성 쉘의 내부에 탄화수소계 물리 발포제를 담지한 마이크로캡슐일 수 있다. 상기 마이크로캡슐은 고분자 소재의 쉘(shell)의 내부에 탄화수소계 물리 발포제가 내포되어 있고, 상기 마이크로캡슐을 가열하면, 먼저 쉘이 연화되기 시작한다. 이와 동시에 내포된 탄화수소계 물리 발포제가 기화되기 시작하여 내압이 높아지면서 마이크로캡슐이 팽창하게 된다. 팽창 시 내압과 쉘의 장력, 즉, 외압이 균형을 이루어 팽창 상태가 지속되는 balloon 상태가 되고, 가열 상태가 지속되면 얇아진 쉘의 장력이 커지기 때문에 수축이 일어나게 된다.
상기 발포성 필라멘트는 상기 마이크로캡슐을 포함하므로, 이를 FDM 및/또는 SLS 방식의 3D 프린터를 이용하여 성형품으로 제조할 때 공급된 열로 인해 상기 발포성 필라멘트 중의 상기 마이크로캡슐이 팽창할 수 있고, 이에 따라 상기 쉘에 의해 구분된 미세한 독립 기포가 균일하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 마이크로캡슐은 가열에 의한 발포 및 팽창 후에도 분해되지 않고, 일정한 크기로 팽창되어 자기 형상을 유지하며, 일정한 크기의 규칙적이고 미세한 독립 기포(close cell)가 형성될 수 있다. 상기 독립 기포는 성형품의 형상을 다변화함과 동시에 그 자체로 탄성이 우수하여 성형품의 안정성 및 기계적 물성에 기여할 수 있다. 상기 독립 기포의 평균 입경은 0.01~1mm일 수 있다.
상기 마이크로캡슐은 라디칼 중합성 단량체를 포함하는 단량체 혼합물을 중합하여 얻어지는 열가소성 수지로 이루어질 수 있고, 상기 단량체 혼합물에 개시제를 적절히 배합하는 것에 의해 상기 팽창성 쉘을 형성할 수 있다.
상기 라디칼 중합성 단량체로는, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, α-클로르아크릴로니트릴, α-에톡시아크릴로니트릴, 푸마로니트릴(fumaronitrile) 등의 니트릴계 단량체; 아크릴산, 메타크릴산, 이타콘산, 말레인산, 푸마르산, 시트라콘산 등의 카르복실기 함유 단량체; 염화비닐리덴; 아세트산비닐; 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸(메타)아크릴레이트, n-부틸(메타)아크릴레이트, 이소부틸(메타)아크릴레이트, t-부틸(메타)아크릴레이트, 이소보르닐(메타)아크릴레이트, 시클로헥실(메타)아크릴레이트, 벤질(메타)아크릴레이트, β카르복시에틸아크릴레이트 등의 (메타)아크릴산 에스테르계 단량체; 스티렌, α-메틸스티렌, 클로로스티렌 등의 스티렌계 단량체; 아크릴아미드, 치환아크릴아미드, 메타크릴아미드, 치환메타크릴아미드 등의 아크릴아미드계 단량체; N-페닐말레이미드, N-(2-클로로페닐)말레이미드, N-시클로헥실말레이미드, N-라우릴말레이미드 등의 말레이미드계 단량체 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 병용할 수도 있다. 예를 들어, 상기 팽창성 쉘(110)은 니트릴계 단량체 20~80중량% 및 카르복실기 함유 단량체 20~80중량%를 포함하는 공중합체로 이루어질 수 있다.
상기 마이크로캡슐의 팽창 개시온도는 150℃ 이하, 바람직하게는, 140℃ 이하일 수 있다. 상기 마이크로캡슐의 팽창 개시온도가 150℃ 초과이면 고온에서의 발포 또는 팽창, 즉, 고온 팽창율을 제어하기 어려우므로 독립 기포를 균일하게 생성할 수 없고, 이에 따라 제조된 성형품의 탄성 및 기계적 물성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 마이크로캡슐의 평균 입경은 5~30㎛일 수 있다. 상기 마이크로캡슐의 평균 입경이 5㎛ 미만이면 독립 기포가 충분히 형성되지 않아 필요한 수준의 발포 또는 팽창을 구현할 수 없고, 30㎛ 초과이면 독립 기포의 크기가 과도하게 커져 성형품의 기계적 물성 및 표면 질감이 저하될 수 있다.
상기 발포성 필라멘트 중 상기 마이크로캡슐의 함량은 상기 제2 열가소성 수지 100중량부에 대해 0.01~50중량부일 수 있다. 상기 마이크로캡슐의 함량이 0.01중량부 미만이면 필요한 수준의 발포 또는 팽창을 구현할 수 없고, 50중량부 초과이면 작업성이 저하되며 원가가 상승하여 상용화하기 어렵다.
상기 탄화수소계 물리 발포제는 C1~C8의 탄화수소 중 하나 이상, 바람직하게는, C1~C6의 탄화수소 중 하나 이상 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트는 카트리지에 장착된 상태에서 단일의 노즐로 송급될 수 있다. 상기 카트리지는 상기 노즐에 대한 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 각각의 송급량 및/또는 송급속도를 조절하여 상기 노즐에서 토츨되는 필라멘트 중 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율을 기설정된 범위로 조절할 수 있다.
종래 3D 프린팅 기술을 이용하여 발포체와 비발포체가 결합 내지 접합된 성형품을 제조하는 경우, 복수의 3D 프린터를 이용하여 발포체 및 비발포체를 각각 제조하거나 단일의 3D 프린터를 이용하여 발포체 및 비발포체를 순차적으로 제조한 다음 이들을 상호 접착, 압착, 조립 등의 방식으로 결합시키는 공정이 필요하므로, 이러한 공정에 소요되는 인적, 경제적 부담이 가중될 수 있고, 특히, 단일의 3D 프린터를 이용하여 발포체 및 비발포체를 순차적으로 제조하는 경우 필라멘트의 교체에 따라 공정을 일시적으로 중단해야 하는 문제가 있다.
이에 대해, 상기 (a) 단계에서 상기 노즐로 송급된 상기 비발포성 필라멘트 및/또는 상기 발포성 필라멘트에 포함된 상기 제1 및/또는 제2 열가소성 수지는 기설정된 온도로 예열된 히터를 통과하면서 용융될 수 있고, 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트가 함께 송급되는 경우 상기 제1 및 제2 열가소성 수지는 기설정된 온도로 예열된 히터를 통과하면서 용융 및 혼련될 수 있다. 또한, 상기 발포성 필라멘트가 기설정된 온도로 예열된 히터를 통과하면서 발포제의 팽창 내지 발포가 개시될 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 노즐과 스테이지를 수평 및 상하 방향으로 이동시키면서 상기 노즐을 통해 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 중 적어도 하나를 토출하여 성형품을 제조할 수 있다.
상기 (a) 단계에서 상기 노즐에 송급되는 필라멘트의 종류에 따라 상기 (b) 단계에서 제조되는 성형품의 성질이 달라질 수 있다. 상기 (a) 단계에서 상기 노즐에 송급되는 필라멘트가 비발포성 필라멘트 또는 발포성 필라멘트인 경우 상기 (b) 단계에서 제조되는 성형품은 각각 비발포체 또는 발포체일 수 있고, 상기 (a) 단계에서 상기 노즐에 비발포성 필라멘트 및 발포성 필라멘트가 함께 송급되는 경우 상기 (b) 단계에서 제조되는 성형품은 비발포체 및 발포체를 모두 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 노즐을 상기 제1 및 제2 열가소성 수지의 융점 및 상기 발포제의 팽창 개시온도 이상의 온도로 가열하고, 상기 발포성 필라멘트가 상기 노즐을 통과하면서 상기 발포제가 팽창할 수 있다.
상기 발포제가 마이크로캡슐인 경우, 상기 발포성 필라멘트 중 상기 마이크로캡슐은 발포 또는 팽창되지 않은 상태로 존재할 수 있고(미발포 필라멘트), 필요에 따라, 발포 또는 팽창된 상태로 존재할 수도 있다(발포 필라멘트).
상기 미발포 필라멘트의 경우, 열가소성 수지의 융점 및 마이크로캡슐의 팽창 개시온도 이상의 온도로 예열된 노즐을 통과하면서 상기 마이크로캡슐이 팽창하므로 발포체의 비중이 상기 미발포 필라멘트에 비해 낮아지므로 성형품의 경량화 및 기계적 물성 측면에서 유리하다.
상기 발포 필라멘트의 경우, 마이크로캡슐이 발포 또는 팽창이 필요한 수준으로 사전 제어된 상태에서 노즐을 통과하므로 성형 과정에서 비중이 실질적으로 변화하지 않는다. 이 때, 발포 또는 팽창이 사전 제어될 수 있으므로 성형품의 경량화 및 기계적 물성에 미치는 영향을 직접적으로 평가하기 어려우나, 필라멘트의 비중을 성형품에서 그대로 구현할 수 있으므로 생산성, 신뢰성, 재현성 측면에서 유리한 효과를 가질 수 있다.
상기 (b) 단계는, 상기 노즐과 스테이지를 수평 및 상하 방향으로 이동시키면서 상기 노즐을 통해, (b1) 상기 비발포성 필라멘트를 토출하여 제1 층을 제조하는 단계; 및 (b2) 상기 발포성 필라멘트를 토출하여 제2 층을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형품의 층간 계면을 나타낸다. 도 2(a)는 상기 발포성 필라멘트에 의해 형성된 상기 제2 층의 표면에 대한 SEM 이미지이고, 도 2(b)는 상기 제1 층 중 적어도 일부가 상기 제2 층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 기설정된 깊이로 침투하여 형성된 결합 구조를 도식화한 것이다. 도 2를 참고하면, 상기 제1 층 중 적어도 일부가 상기 제2 층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 0.05~3mm의 깊이로 침투하여 상기 제1 및 제2 층이 앵커링 효과(anchoring effect)에 의해 결합될 수 있다. 이를 통해, 종래와 같이 발포체 및 비발포체를 순차적으로 제조한 다음 이들을 상호 접착, 압착, 조립 등의 방식으로 결합시키는 공정 없이도 상기 제1 및 제2 층의 계면에 필요한 수준의 결합력을 제공할 수 있다.
상기 제2 층은 상기 비발포성 필라멘트에 의해 형성된 상기 제1 층 상에 상기 발포성 필라멘트를 토출하여 형성될 수 있고, 상기 제1 및 제2 층을 형성하기 위한 상기 (b1) 및 (b2) 단계는 연속식 공정으로 수행되므로 상기 제1 층이 특정 형태로 완전히 성형되기 전에, 즉, 소정의 흐름성 내지 연성을 가지는 상태에서 상기 제1 층의 표면에 상기 발포성 필라멘트가 용융, 토출되면서 상기 제1 층을 가압할 수 있다. 이 경우, 소정의 흐름성 내지 연성을 가지는 제1 층 중 적어도 일부는 상기 제2 층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 기설정된 깊이로 침투할 수 있고, 이 후 냉각되면서 상기 제1 및 제2 층이 앵커링 효과(anchoring effect)에 의해 결합될 수 있다.
상기 제2 층의 표면에 형성된 기공은, 상기 독립 기포 사이의 공극에 의해 형성된 것 및/또는 상기 독립 기포 중 일부가 파괴되면서 형성된 것일 수 있다.
상기 제1 및 제2 층은 용융 가압이라는 화학적 수단 및 앵커링 효과라는 물리적, 구조적 수단에 의해 강하게 결합되어 상기 성형품의 내구성을 현저히 향상시킬 수 있다.
상기 제1 층의 상기 제2 층에 대한 침투 깊이는 0.05~3mm일 수 있다. 상기 침투 깊이가 0.05mm 미만이면 층간 결합력이 저하되어 상기 제1 및 제2 층의 계면에서 박리가 발생할 수 있고, 3mm 초과이면 발포체로 이루어진 상기 제2 층의 두께가 상대적으로 감소하여 쿠셔닝 특성이 저하될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 성형품의 층간 계면을 나타낸다. 도 3(a)는 상기 제1 및 제2 층의 사이에 중간층이 개재된 성형품의 단면도이고, 도 3(b)는 이러한 성형품의 단면에 대한 SEM 이미지이다. 도 3을 참고하면, 상기 (b1) 및 (b2) 단계 사이에, (b1') 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 토출하여 중간층을 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이를 위해, 상기 (a) 단계에서 상기 노즐에 대한 필라멘트의 송급 순서를, 비발포성 필라멘트 단독, 비발포성 및 발포성 필라멘트의 조합, 및 발포성 필라멘트 단독 순으로 조절할 수 있고, 상기 노즐에 송급된 필라멘트에 따라 상기 (b1) 단계에서 비발포체로 이루어진 제1 층, 상기 (b1') 단계에서 발포체 및 비발포체로 이루어진 중간층, 및 상기 (b2) 단계에서 발포체로 이루어진 제2 층이 순차적으로 형성될 수 있다.
상기 (b1') 단계에서 상기 중간층을 제조하기 위해 상기 (a) 단계에서 조합되는 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 중량 비율은, 상기 비발포성 필라멘트가 100중량%에서 0중량%로 감소하고, 상기 발포성 필라멘트가 0중량%에서 100중량%로 증가하도록 연속적으로 및/또는 불연속적으로 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 중간층 중 상기 제1 층에 인접한 영역은 비발포체의 함량이 상대적으로 많고, 상기 제2 층에 인접한 영역은 발포체의 함량이 상대적으로 많을 수 있다.
전술한 것과 같이, 상기 중간층은 상기 비발포성 필라멘트에 의해 형성된 상기 제1 층 상에 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 함께 토출하여 형성될 수 있고, 상기 제2 층은 상기 중간층 상에 상기 발포성 필라멘트를 토출하여 형성될 수 있다.
상기 제1 층, 상기 중간층 및 상기 제2 층을 형성하기 위한 상기 (b1), (b1') 및 (b2) 단계는 연속식 공정으로 수행되므로 상기 제1 층 및 상기 중간층이 특정 형태로 완전히 성형되기 전에, 즉, 소정의 흐름성 내지 연성을 가지는 상태에서 상기 제1 층의 표면에 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트가 용융, 혼련, 토출되면서 상기 제1 층을 가압할 수 있고, 상기 중간층의 표면에 상기 발포성 필라멘트가 용융, 토출되면서 상기 중간층을 가압할 수 있다.
이 경우, 소정의 흐름성 내지 연성을 가지는 제1 층 중 적어도 일부는 상기 중간층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 기설정된 깊이로 침투할 수 있고, 이 후 냉각되면서 상기 제1 층 및 상기 중간층이 앵커링 효과(anchoring effect)에 의해 결합될 수 있다. 또한, 소정의 흐름성 내지 연성을 가지는 중간층 중 적어도 일부는 상기 제2 층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 기설정된 깊이로 침투할 수 있고, 이 후 냉각되면서 상기 중간층 및 상기 제2 층이 앵커링 효과(anchoring effect)에 의해 결합될 수 있다.
상기 제1 층, 상기 중간층 및 상기 제2 층은 용융 가압이라는 화학적 수단 및 앵커링 효과라는 물리적, 구조적 수단에 의해 강하게 결합되어 상기 성형품의 내구성을 현저히 향상시킬 수 있다.
상기 중간층의 두께는 0.1~5mm이고, 상기 중간층의 비중은 0.2~0.8g/cc일 수 있다. 상기 중간층의 두께가 0.1mm 미만이거나 그 비중이 0.2g/cc 미만이면 층간 결합력이 저하되어 상기 제1 및 제2 층의 계면에서 박리가 발생할 수 있고, 상기 중간층의 두께가 5mm 초과이면 발포체로 이루어진 상기 제2 층의 두께가 상대적으로 감소하여 쿠셔닝 특성이 저하될 수 있고, 그 비중이 0.8g/cc 초과이면 성형품 및 이러한 성형품이 적용된 각종 제품을 경량화하기 어려운 문제가 있다.
상기 제조방법을 통해 신발 또는 그 부품, 의류, 생활용품 등을 포함하는 다양한 제품을 성형할 수 있고, 특히, 경량성, 기계적 물성, 성형성 등이 동시에 요구되는 신발 또는 그 부품을 효율적으로 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
실시예 1
비닐아세테이트 10~20중량%를 포함하는 에틸렌비닐아세테이트 100중량부에 대해, 평균 입경이 10㎛이고 팽창 개시온도가 약 130℃이고 최대 팽창율이 약 3.0인(@160℃) 마이크로캡슐 2중량부를 혼련하고, 120℃에서 압출한 다음 연신하여 발포성 필라멘트를 제조하였고, 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 포함하는 비발포성 필라멘트를 별도로 준비하였다.
상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터의 카트리지에 장착하여 단일의 노즐로 송급되도록 하였다. 이 때, 상기 카트리지는 상기 노즐에 대한 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 각각의 송급량 및/또는 송급속도를 조절하여 상기 노즐에서 토츨되는 필라멘트 중 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율을 기설정된 범위로 조절한다.
먼저, 상기 비발포성 필라멘트를 열가소성 폴리우레탄의 융점 이상의 온도(200℃)로 예열된 노즐에 송급하여 제1 층을 제조하였다. 이 후, 상기 노즐의 온도를 에틸렌비닐아세테이트의 융점 및 마이크로캡슐의 팽창 개시온도 이상의 온도(130℃)로 예열한 다음, 상기 노즐에 송급되는 필라멘트를 상기 발포성 필라멘트로 전환하여 상기 제1 층 상에 제2 층이 형성된 성형품을 제조하였다.
이 때, 상기 제1 층은 상기 제2 층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 약 0.05mm의 깊이로 침투한 것으로 확인되었다.
실시예 2
비닐아세테이트 10~20중량%를 포함하는 에틸렌비닐아세테이트 100중량부에 대해, 평균 입경이 10㎛이고 팽창 개시온도가 약 130℃이고 최대 팽창율이 약 3.0인(@160℃) 마이크로캡슐 2중량부를 혼련하고, 120℃에서 압출한 다음 연신하여 발포성 필라멘트를 제조하였고, 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 포함하는 비발포성 필라멘트를 별도로 준비하였다.
상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터의 카트리지에 장착하여 단일의 노즐로 송급되도록 하였다. 이 때, 상기 카트리지는 상기 노즐에 대한 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 각각의 송급량 및/또는 송급속도를 조절하여 상기 노즐에서 토츨되는 필라멘트 중 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율을 기설정된 범위로 조절한다.
먼저, 상기 비발포성 필라멘트를 열가소성 폴리우레탄의 융점 이상의 온도(200℃)로 예열된 노즐에 송급하여 제1 층을 제조하였다. 이 후, 상기 노즐의 온도를 에틸렌비닐아세테이트의 융점 및 마이크로캡슐의 팽창 개시온도 이상의 온도(140℃)로 예열한 다음, 상기 노즐에 송급되는 필라멘트를 상기 발포성 필라멘트로 전환하여 상기 제1 층 상에 제2 층이 형성된 성형품을 제조하였다.
이 때, 상기 제1 층은 상기 제2 층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 약 0.2mm의 깊이로 침투한 것으로 확인되었다.
실시예 3
비닐아세테이트 10~20중량%를 포함하는 에틸렌비닐아세테이트 100중량부에 대해, 평균 입경이 10㎛이고 팽창 개시온도가 약 130℃이고 최대 팽창율이 약 3.0인(@160℃) 마이크로캡슐 2중량부를 혼련하고, 120℃에서 압출한 다음 연신하여 발포성 필라멘트를 제조하였고, 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 포함하는 비발포성 필라멘트를 별도로 준비하였다.
상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터의 카트리지에 장착하여 단일의 노즐로 송급되도록 하였다. 이 때, 상기 카트리지는 상기 노즐에 대한 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 각각의 송급량 및/또는 송급속도를 조절하여 상기 노즐에서 토츨되는 필라멘트 중 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율을 기설정된 범위로 조절한다.
먼저, 상기 비발포성 필라멘트를 열가소성 폴리우레탄의 융점 이상의 온도(200℃)로 예열된 노즐에 송급하여 제1 층을 제조하였다. 이 후, 상기 노즐의 온도를 에틸렌비닐아세테이트의 융점 및 마이크로캡슐의 팽창 개시온도 이상의 온도(160℃)로 예열한 다음, 상기 노즐에 송급되는 필라멘트를 상기 발포성 필라멘트로 전환하여 상기 제1 층 상에 제2 층이 형성된 성형품을 제조하였다.
이 때, 상기 제1 층은 상기 제2 층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 약 3mm의 깊이로 침투한 것으로 확인되었다.
비교예 1
비닐아세테이트 10~20중량%를 포함하는 에틸렌비닐아세테이트 100중량부에 대해, 평균 입경이 10㎛이고 팽창 개시온도가 약 130℃이고 최대 팽창율이 약 3.0인(@160℃) 마이크로캡슐 2중량부를 혼련하고, 120℃에서 압출한 다음 연신하여 발포성 필라멘트를 제조하였고, 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 포함하는 비발포성 필라멘트를 별도로 준비하였다.
상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터의 카트리지에 장착하여 단일의 노즐로 송급되도록 하였다. 이 때, 상기 카트리지는 상기 노즐에 대한 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 각각의 송급량 및/또는 송급속도를 조절하여 상기 노즐에서 토츨되는 필라멘트 중 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율을 기설정된 범위로 조절한다.
먼저, 상기 비발포성 필라멘트를 열가소성 폴리우레탄의 융점 이상의 온도(200℃)로 예열된 노즐에 송급하여 제1 층을 제조하였다. 이 후, 상기 노즐의 온도를 에틸렌비닐아세테이트의 융점 및 마이크로캡슐의 팽창 개시온도 이상의 온도(125℃)로 예열한 다음, 상기 노즐에 송급되는 필라멘트를 상기 발포성 필라멘트로 전환하여 상기 제1 층 상에 제2 층이 형성된 성형품을 제조하였다.
이 때, 상기 제1 층은 상기 제2 층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 약 0.04mm의 깊이로 침투한 것으로 확인되었다.
비교예 2
비닐아세테이트 10~20중량%를 포함하는 에틸렌비닐아세테이트 100중량부에 대해, 평균 입경이 10㎛이고 팽창 개시온도가 약 130℃이고 최대 팽창율이 약 3.0인(@160℃) 마이크로캡슐 2중량부를 혼련하고, 120℃에서 압출한 다음 연신하여 발포성 필라멘트를 제조하였고, 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 포함하는 비발포성 필라멘트를 별도로 준비하였다.
상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터의 카트리지에 장착하여 단일의 노즐로 송급되도록 하였다. 이 때, 상기 카트리지는 상기 노즐에 대한 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 각각의 송급량 및/또는 송급속도를 조절하여 상기 노즐에서 토츨되는 필라멘트 중 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율을 기설정된 범위로 조절한다.
먼저, 상기 비발포성 필라멘트를 열가소성 폴리우레탄의 융점 이상의 온도(200℃)로 예열된 노즐에 송급하여 제1 층을 제조하였다. 이 후, 상기 노즐의 온도를 에틸렌비닐아세테이트의 융점 및 마이크로캡슐의 팽창 개시온도 이상의 온도(170℃)로 예열한 다음, 상기 노즐에 송급되는 필라멘트를 상기 발포성 필라멘트로 전환하여 상기 제1 층 상에 제2 층이 형성된 성형품을 제조하였다.
이 때, 상기 제1 층은 상기 제2 층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 약 3.5mm의 깊이로 침투한 것으로 확인되었다.
실험예 1
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 성형품 중 제2 층에 대한 제1 층의 침투 깊이에 따른 박리 특성 및 제2 층의 쿠셔닝 특성을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 평가 방법은 다음과 같다.
-박리 특성: 성형품 시편을 10,000회 반복 굴곡 후 제1 층 및 제2 층의 계면에서 박리가 발생하는지 여부를 관찰하였으며, 박리가 발생하지 않은 경우 양호, 박리가 발생한 경우 불량으로 평가함
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
침투 깊이
(mm)		 0.05 0.2 3.0 0.04 3.5
박리 특성 양호 양호 양호 불량
(계면 박리)		 쿠셔닝 저하
상기 표 1을 참고하면, 비교예 2에 따른 성형품의 경우, 제2 층에 대한 제1 층의 침투 깊이가 증가함에 따라 상기 제2 층의 두께가 상대적으로 감소하였고, 발포성 필라멘트를 토출하는 과정에서 노즐이 마이크로캡슐이 최대로 팽창되는 온도 이상으로 과열되어 마이크로캡슐이 파괴됨에 따라 제2 층의 쿠셔닝 특성이 현저히 저하된 것으로 나타났다.
실시예 4
비닐아세테이트 10~20중량%를 포함하는 에틸렌비닐아세테이트 100중량부에 대해, 평균 입경이 10㎛이고 팽창 개시온도가 약 130℃이고 최대 팽창율이 약 3.0인(@160℃) 마이크로캡슐 2중량부를 혼련하고, 120℃에서 압출한 다음 연신하여 발포성 필라멘트를 제조하였고, 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 포함하는 비발포성 필라멘트를 별도로 준비하였다.
상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터의 카트리지에 장착하여 단일의 노즐로 송급되도록 하였다. 이 때, 상기 카트리지는 상기 노즐에 대한 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 각각의 송급량 및/또는 송급속도를 조절하여 상기 노즐에서 토츨되는 필라멘트 중 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율을 기설정된 범위로 조절한다.
상기 비발포성 필라멘트를 열가소성 폴리우레탄의 융점 이상의 온도(200℃)로 예열된 노즐에 송급하여 제1 층을 제조하였다. 상기 노즐의 온도를 에틸렌비닐아세테이트의 융점 및 마이크로캡슐의 팽창 개시온도 이상의 온도(150℃)로 예열한 다음, 상기 노즐에 상기 발포성 필라멘트를 추가로 송급하여 중간층을 0.1mm의 두께로 형성한 다음, 상기 노즐에 송급되는 필라멘트를 상기 발포성 필라멘트로 전환하여 상기 중간층 상에 제2 층이 형성된 성형품을 제조하였다.
상기 성형품을 제조하기 위한 공정 순서에 따라 상기 카트리지를 통해 송급되는 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율은 도 4(a)에 따라 상기 중간층의 비중이 0.2g/cc가 되도록 조절하였고, 상기 카트리지에서의 필라멘트의 조합과 전환 및 상기 노즐에서의 필라멘트의 토출을 포함하는 일련의 과정은 연속적으로 이루어졌다.
실시예 5
비닐아세테이트 10~20중량%를 포함하는 에틸렌비닐아세테이트 100중량부에 대해, 평균 입경이 10㎛이고 팽창 개시온도가 약 130℃이고 최대 팽창율이 약 3.0인(@160℃) 마이크로캡슐 2중량부를 혼련하고, 120℃에서 압출한 다음 연신하여 발포성 필라멘트를 제조하였고, 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 포함하는 비발포성 필라멘트를 별도로 준비하였다.
상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터의 카트리지에 장착하여 단일의 노즐로 송급되도록 하였다. 이 때, 상기 카트리지는 상기 노즐에 대한 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 각각의 송급량 및/또는 송급속도를 조절하여 상기 노즐에서 토츨되는 필라멘트 중 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율을 기설정된 범위로 조절한다.
상기 비발포성 필라멘트를 열가소성 폴리우레탄의 융점 이상의 온도(200℃)로 예열된 노즐에 송급하여 제1 층을 제조하였다. 상기 노즐의 온도를 에틸렌비닐아세테이트의 융점 및 마이크로캡슐의 팽창 개시온도 이상의 온도(150℃)로 예열한 다음, 상기 노즐에 상기 발포성 필라멘트를 추가로 송급하여 중간층을 5.0mm의 두께로 형성한 다음, 상기 노즐에 송급되는 필라멘트를 상기 발포성 필라멘트로 전환하여 상기 중간층 상에 제2 층이 형성된 성형품을 제조하였다.
상기 성형품을 제조하기 위한 공정 순서에 따라 상기 카트리지를 통해 송급되는 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율은 도 4(b)에 따라 상기 중간층의 비중이 0.8g/cc가 되도록 조절하였고, 상기 카트리지에서의 필라멘트의 조합과 전환 및 상기 노즐에서의 필라멘트의 토출을 포함하는 일련의 과정은 연속적으로 이루어졌다.
비교예 3
비닐아세테이트 10~20중량%를 포함하는 에틸렌비닐아세테이트 100중량부에 대해, 평균 입경이 10㎛이고 팽창 개시온도가 약 130℃이고 최대 팽창율이 약 3.0인(@160℃) 마이크로캡슐 2중량부를 혼련하고, 120℃에서 압출한 다음 연신하여 발포성 필라멘트를 제조하였고, 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 포함하는 비발포성 필라멘트를 별도로 준비하였다.
상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터의 카트리지에 장착하여 단일의 노즐로 송급되도록 하였다. 이 때, 상기 카트리지는 상기 노즐에 대한 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 각각의 송급량 및/또는 송급속도를 조절하여 상기 노즐에서 토츨되는 필라멘트 중 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율을 기설정된 범위로 조절한다.
상기 비발포성 필라멘트를 열가소성 폴리우레탄의 융점 이상의 온도(200℃)로 예열된 노즐에 송급하여 제1 층을 제조하였다. 상기 노즐의 온도를 에틸렌비닐아세테이트의 융점 및 마이크로캡슐의 팽창 개시온도 이상의 온도(150℃)로 예열한 다음, 상기 노즐에 상기 발포성 필라멘트를 추가로 송급하여 중간층을 0.05mm의 두께로 형성한 다음, 상기 노즐에 송급되는 필라멘트를 상기 발포성 필라멘트로 전환하여 상기 중간층 상에 제2 층이 형성된 성형품을 제조하였다.
상기 성형품을 제조하기 위한 공정 순서에 따라 상기 카트리지를 통해 송급되는 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율은 도 4(a)에 따라 상기 중간층의 비중이 0.1g/cc가 되도록 조절하였고, 상기 카트리지에서의 필라멘트의 조합과 전환 및 상기 노즐에서의 필라멘트의 토출을 포함하는 일련의 과정은 연속적으로 이루어졌다.
비교예 4
비닐아세테이트 10~20중량%를 포함하는 에틸렌비닐아세테이트 100중량부에 대해, 평균 입경이 10㎛이고 팽창 개시온도가 약 130℃이고 최대 팽창율이 약 3.0인(@160℃) 마이크로캡슐 2중량부를 혼련하고, 120℃에서 압출한 다음 연신하여 발포성 필라멘트를 제조하였고, 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 포함하는 비발포성 필라멘트를 별도로 준비하였다.
상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터의 카트리지에 장착하여 단일의 노즐로 송급되도록 하였다. 이 때, 상기 카트리지는 상기 노즐에 대한 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 각각의 송급량 및/또는 송급속도를 조절하여 상기 노즐에서 토츨되는 필라멘트 중 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율을 기설정된 범위로 조절한다.
상기 비발포성 필라멘트를 열가소성 폴리우레탄의 융점 이상의 온도(200℃)로 예열된 노즐에 송급하여 제1 층을 제조하였다. 상기 노즐의 온도를 에틸렌비닐아세테이트의 융점 및 마이크로캡슐의 팽창 개시온도 이상의 온도(150℃)로 예열한 다음, 상기 노즐에 상기 발포성 필라멘트를 추가로 송급하여 중간층을 5.5mm의 두께로 형성한 다음, 상기 노즐에 송급되는 필라멘트를 상기 발포성 필라멘트로 전환하여 상기 중간층 상에 제2 층이 형성된 성형품을 제조하였다.
상기 성형품을 제조하기 위한 공정 순서에 따라 상기 카트리지를 통해 송급되는 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 비율은 도 4(b)에 따라 상기 중간층의 비중이 0.9g/cc가 되도록 조절하였고, 상기 카트리지에서의 필라멘트의 조합과 전환 및 상기 노즐에서의 필라멘트의 토출을 포함하는 일련의 과정은 연속적으로 이루어졌다.
실험예 2
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 성형품 중 중간층의 두께 및 비중에 따른 박리 특성 및 제2 층의 쿠셔닝 특성을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 평가 방법은 다음과 같다.
-박리 특성: 성형품 시편을 10,000회 반복 굴곡 후 제1 층 및 제2 층의 계면에서 박리가 발생하는지 여부를 관찰하였으며, 박리가 발생하지 않은 경우 양호, 박리가 발생한 경우 불량으로 평가함
구분 실시예 4 실시예 5 비교예 3 비교예 4
중간층 두께
(mm)		 0.1 5.0 0.05 5.5
중간층 비중
(g/cc)		 0.2 0.8 0.1 0.9
박리 특성 양호 양호 불량
(계면 박리)		 쿠셔닝 저하
상기 표 2를 참고하면, 비교예 4에 따른 성형품의 경우, 중간층의 두께가 증가함에 따라 상기 제2 층의 두께가 상대적으로 감소하여 제2 층의 쿠셔닝 특성이 현저히 저하된 것으로 나타났고, 중간층의 비중이 증가함에 따라 성형품 및 이러한 성형품이 적용된 각종 제품, 예를 들어, 신발의 경량화에 악영향을 미칠 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 (10)

  1. (a) 제1 열가소성 수지를 포함하는 비발포성 필라멘트, 및 제2 열가소성 수지 및 발포제를 포함하는 발포성 필라멘트를 기설정된 비율로 조합하여 단일의 노즐에 공급하는 단계; 및
    (b) 상기 노즐과 스테이지를 수평 및 상하 방향으로 이동시키면서 상기 노즐을 통해 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트 중 적어도 하나를 토출하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b) 단계는,
    상기 노즐과 스테이지를 수평 및 상하 방향으로 이동시키면서 상기 노즐을 통해,
    (b1) 상기 비발포성 필라멘트를 토출하여 제1 층을 제조하는 단계;
    (b1') 상기 제1 층 상에 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트를 토출하여 중간층을 제조하는 단계; 및
    (b2) 상기 중간층 상에 상기 발포성 필라멘트를 토출하여 제2 층을 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b1') 단계에서 상기 중간층을 제조하기 위해 상기 (a) 단계에서 조합되는 상기 비발포성 필라멘트 및 상기 발포성 필라멘트의 중량 비율은, 상기 비발포성 필라멘트가 100중량%에서 0중량%로 감소하고, 상기 발포성 필라멘트가 0중량%에서 100중량%로 증가하도록 조절되고,
    상기 중간층의 두께는 0.1~5mm이고, 상기 중간층의 비중은 0.2~0.8g/cc인,
    성형품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 열가소성 수지는 각각 연질 또는 경질의 폴리올레핀 엘라스토머, 에틸렌계 공중합체, 스티렌계 공중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 나일론, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리락트산, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리옥시메틸렌 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함하는,
    성형품의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발포제는 팽창성 쉘의 내부에 탄화수소계 물리 발포제를 담지한 마이크로캡슐인,
    성형품의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마이크로캡슐의 함량은 상기 제2 열가소성 수지 100중량부에 대해 0.01~50중량부인,
    성형품의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 탄화수소계 물리 발포제는 C1~C8의 탄화수소 중 하나 이상을 포함하는,
    성형품의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 노즐을 상기 제2 열가소성 수지의 융점 및 상기 발포제의 팽창 개시온도 이상의 온도로 가열하고,
    상기 발포성 필라멘트가 상기 노즐을 통과하면서 상기 발포제가 팽창하는,
    성형품의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층 중 적어도 일부가 상기 제2 층의 표면에 형성된 기공에 두께 방향으로 0.05~3mm의 깊이로 침투하여 상기 제1 및 제2 층이 앵커링 효과(anchoring effect)에 의해 결합되는,
    성형품의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
KR1020200149371A 2020-11-10 2020-11-10 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법 KR102355157B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200149371A KR102355157B1 (ko) 2020-11-10 2020-11-10 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200149371A KR102355157B1 (ko) 2020-11-10 2020-11-10 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102355157B1 true KR102355157B1 (ko) 2022-02-08

Family

ID=80252747

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200149371A KR102355157B1 (ko) 2020-11-10 2020-11-10 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102355157B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2618097A (en) * 2022-04-26 2023-11-01 Tech 21 Licensing Ltd A method of forming a protective article

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140060593A (ko) * 2009-05-27 2014-05-21 가부시키가이샤아식스 트레이닝에 적합한 신발의 신발바닥
KR20200055830A (ko) * 2018-11-09 2020-05-22 한국신발피혁연구원 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법
KR102141587B1 (ko) * 2019-04-04 2020-08-06 삼덕통상 주식회사 아웃솔 구조체 및 그 제조방법
KR102159080B1 (ko) * 2018-11-09 2020-09-23 한국신발피혁연구원 3d 프린팅 소재

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140060593A (ko) * 2009-05-27 2014-05-21 가부시키가이샤아식스 트레이닝에 적합한 신발의 신발바닥
KR20200055830A (ko) * 2018-11-09 2020-05-22 한국신발피혁연구원 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법
KR102159080B1 (ko) * 2018-11-09 2020-09-23 한국신발피혁연구원 3d 프린팅 소재
KR102141587B1 (ko) * 2019-04-04 2020-08-06 삼덕통상 주식회사 아웃솔 구조체 및 그 제조방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2618097A (en) * 2022-04-26 2023-11-01 Tech 21 Licensing Ltd A method of forming a protective article
WO2023209348A1 (en) 2022-04-26 2023-11-02 Tech 21 Licensing Limited A method of forming a protective article and 3d printer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102159081B1 (ko) 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법
KR102159080B1 (ko) 3d 프린팅 소재
KR102078749B1 (ko) Pmi 발포 물질을 위한 신규한 성형 방법 및/또는 그로부터 제조된 복합 부품
KR102355157B1 (ko) 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법
KR20190009283A (ko) 구조체 및 이의 제조방법
US6623838B1 (en) Lightweight resin molded product and production method thereof
CN105829049A (zh) 用于生产膨胀的泡沫坯体的装置和方法
CN108349126B (zh) 发泡成型品的制造方法和发泡成型品
US10207435B2 (en) Pressure-dependent foam moulding of poly(meth)acrylimide particles in closed moulds for producing rigid foam cores
TWI814895B (zh) 用於製備至少部分由膨脹聚合物製成三維物件之系統及方法、以及三維物件
KR102341641B1 (ko) 미드솔 일체형 아웃솔의 제조방법
EP3564004B1 (en) Method for producing container for foods
KR102355158B1 (ko) 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법
JP3490829B2 (ja) 発泡射出成形物の製造法
JP6085729B1 (ja) 発泡成形品の製造方法、及び、発泡成形品
JP5577061B2 (ja) 発泡成形体、発泡成形体の製造方法および発泡成形体製造用金型
US10919198B2 (en) Production of complex hollow foam or sandwich structures by means of a mold core
KR102524466B1 (ko) 성형품 및 그 제조방법
JP2001088161A (ja) 薄肉軽量樹脂成形品の製造方法および薄肉軽量樹脂成形品
US4096219A (en) Process for production of foamed shaped pieces with poreless surface made by the molding process
JP6140064B2 (ja) 繊維強化複合体の製造方法、繊維強化複合体及び輸送機器構成用部材
JP2005313590A (ja) 熱可塑性樹脂成形品の製造方法
TWI738163B (zh) 模製熱膨脹結構及其模製方法
KR102355159B1 (ko) 적층 가공을 이용한 성형품의 제조방법
CN113001864B (zh) 一种基于发泡注塑制坯的聚合物微发泡装置和工艺

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant