KR102387959B1 - 3d 프린팅 소재 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 - Google Patents

Abstract

3D 프린팅 소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법이 제공된다. 상기 3D 프린팅 소재는 기존 시멘트 기반 소재 혹은 유해성분 첨가물을 배제한 친환경적인 흙 소재를 기반으로 한 것으로서, 고강도 구조물을 제어할 수 있고 3D 프린팅이 가능한 소재이다. 상기 3D 프린팅 소재는 우수한 인장 강도 내지 압축 강도를 가져 건축용 3D 프린팅 소재로 사용할 수도 있고, 내장재 등의 구조체를 프린팅할 때 사용할 수도 있다.

Description

3D 프린팅 소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법{3D Printing Material and 3D Printing Method using the same}

흙 소재를 기반으로 한 3D 프린팅 소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.

최근 제조업의 혁신 기술로 알려진 3D 프린팅 기술은, 패션, 음식, 장난감, 자동차, 우주항공 및 건설 분야 등 다양한 곳에서 응용가능성을 넓혀 가고 있다. 특히 3D 프린팅의 재료는 액체, 분말, 고체 등으로 구분하며, 현재 플라스틱, 금속, 종이, 나일론, 레진, 나무, 모래, 세라믹, 초콜릿 등 다양한 재료가 활용되며 전용 금속 및 세라믹 분말은 해외에서도 제조하는 업체가 거의 없어 3D 프린터 제조업체가 고가로 독점 제공하고 있다 (예. SUS316L 분말의 경우 사출성형용은 25,000원/kg인 반면 3D 프린팅용은 250,000원/kg으로 10배 정도로 비쌈)

미국의 IT 분야 리서치 기업인 가트너(Gartner)에서 2016년 10대 전략기술을 발표하였는데 그 중 3D 프린팅 재료(3D Printing Materials)가 포함되면서 3D 프린팅 기술이 폭넓은 물질들과 만나 계속 진보할 것으로 예측하였고 그 응용영역이 우주산업, 의학, 자동차산업 등 다양한 산업으로 뻗어나갈 수 있다고 예측하였다. 이러한 발전으로 2019년 기업용 3D 프린터의 출하량이 연간 64.1% 증가할 것으로 예측하였다.

최근 3D 프린팅 기술이 빌딩 등 중 대형의 건축 등에 활용되고 있으며 소재의 기능화나 대량 생산 등이 매우 중요하게 여겨지고 있다. 이에 따라, 친환경, 고 기능성(형상 기억, 고강도, 고전도성, 등)의 소재를 프린팅 할 수 있는 공정 개발이 요구되고 있으며, 생분해성 소재 등의 친환경 소재나 세포와 같은 바이오 소재 등을 혼합하여 원하는 기능성을 갖는 신소재 개발이 시도되고 있으나 복합 소재나 기능성 소재에 대한 프린팅 연구가 더욱더 필요한 상황이다.

3D 프린팅 기술에서 소재 기술은 매우 중요한 부분이나 소재의 열적, 기계적 내구성 및 환경 유해성이 제기되는 상황이다. 3D 프린팅 방식에 따라 다양한 소재들이 개발되고 있지만 대부분 강도 향상을 위한 금속 소재 및 엔지니어링 플라스틱과 같은 소재에 한정되고 있다. 3D 프린팅 소재는 일부 소재를 제외하고는 자연에서 오는 전통 소재를 발굴하여 활용하는 사례가 미비할뿐더러 활용도가 보편화되지 않은 상황이다.

특히 건축용 소재로서 시멘트기반의 3D 프린팅 구현에 필요한 시멘트기반 소재 설계와 3D 프린팅 시스템에 대한 연구가 진행 중에 있으며, 한옥 혹은 흙 건축으로 흙 소재에 대한 상용화가 진행되고 있으나, 기술적 자료에 대한 체계적인 데이터가 마련되지 않고 있다.

본 발명의 일 측면은 기존 시멘트 기반 소재 혹은 유해성분 첨가물을 배제한 흙 소재를 기반으로 한 3D 프린팅 소재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 측면에서는, 상기 3D 프린팅 소재를 이용한 3D 프린팅 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에서는, 황토 또는 백토 중 적어도 하나 및 석회를 포함하는 3D프린팅 소재가 제공된다.

일 실시예에 따르면, 상기 황토 또는 백토의 입경은 300μm이하의 크기를 가질 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 황토 또는 백토의 평균 입경이 10 내지 100 μm 범위일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 석회의 입경이 150 μm 이하의 크기를 가질 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 석회의 평균 입경이 5 내지 30 μm 범위일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 황토와 석회의 혼합 비율이 10:1 내지 1:5의 중량비일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 3D 프린팅 소재는 모래 및 물을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 황토와 물의 혼합 비율이 10:5 내지 10:0.1의 중량비일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서는, 상기 3D 프린팅 소재를 이용한 3D 프린팅 방법이 제공된다.

일 구현예에 따른, 상기 3D 프린팅 소재는 친환경 천연 소재를 사용하여 3D 프린팅 가능한 친환경 건축소재로 사용할 수 있으며, 우수한 인장 강도 내지 압축 강도를 갖는다.

도 1은 일 실시예에 따른 황토 및 석회를 포함하는 3D 프린팅 소재를 이용한 3D 프린팅 공정에 대한 모식도이다.
도 2는 실시예에서 사용된 황토의 거르기 전후의 입도 분포 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 실시예에서 사용된 석회의 입도 그래프이다.
도 4는 실시예, 1차 실험에서 황토와 석회의 혼합 비율에 따른 구조물의 이미지이다.
도 5는 실시예, 1차 실험에서 황토와 석회의 혼합 비율에 따른 구조물의 굽힘 강도이다.
도 6은 실시예, 1차 실험에서 황토와 석회의 혼합 비율에 따른 표면 이미지이다.
도 7은 실시예, 2차 실험에서 3D 프린팅으로 제작된 황토 구조물의 압축실험 과정이다.
도 8은 실시예, 2차 실험에서 3D 프린팅으로 제작된 황토 구조물의 압축실험 결과이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

이하, 도면을 참조하여 일 구현예에 따른 3D 프린팅 소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법 에 대해 상세히 설명하고자 한다.

일 측면에 따른 3D 프린팅 소재는 황토 및 석회를 포함한다.

황토는 그 성분이 실리카(SiO₂), 알루미나(Ai₂O₃), 철분, 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 칼리 등으로 구성되어 있고, 이러한 성분비와 다양한 효소들로 조성된 황토는 우리의 전통적인 건축문화에서 중요한 건축 재료의 하나로 널리 사용되어 왔다. 표면이 넓은 벌집 구조로 수많은 공간이 복층구조를 이루고 있어 이 스펀지 같은 구멍 안에는 원적외선이 다량 흡수, 저장되어 있어 열을 받으면 원적외선을 방출하여 다른 물체의 분자 활동을 자극하는 특성이 있을 뿐만 아니라, 독소제거, 해충이나 곤충 등에 대하여도 방충 성을 가지며, 정화작용 및 우수한 통기성에 의한 습도조절능력, 축열성, 탈취기능 및 소방, 방염 등의 기능이 탁월하고, 실생활 건강상 좋은 영향을 발휘하고, 주변 환경에 좋은 영향을 줄 수 있다.

백토는 고령토(kaolin)라고도 불리우며, 적은 철분 함량으로 흰색 내지 미색, 핑크 등 다양한 색깔을 띈다. 백토는 황토보다 20배의 살균 항균력이 있는 것으로 알려져 있다. 백토는 주요 성분인 알루미나와 규소로 인해 높은 내화도를 가져 내화백돌 제조에 사용되기도 한다.

상기 3D 프린팅 소재에 있어서 황토 또는 백토는 기존 시멘트 기반 소재 혹은 유해성분 첨가물을 배제할 수 있으며, 고미분 황토 혹은 백토를 기반으로 하여 쾌속 경화용 3D 프린팅 소재를 제공할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 황토 또는 백토의 입경은 300μm 이하의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 황토 또는 백토의 입경은 290μm 이하, 280μm 이하, 270 μm 이하, 260 μm 이하, 또는 250 μm 이하의 크기일 수 있다. 상기 범위에서 노즐을 통한 토출이 용이하며 3D 프린팅이 가능할 수 있다.

상기 황토 또는 백토의 평균 입경이 10 내지 100 μm 범위일 수 있으며, 예를 들어, 20 내지 60 μm 범위, 또는 30 내지 50 μm 범위일 수 있다. 상기 범위에서 3D 프린팅이 용이하게 수행될 수 있으며, 석회와 혼합되어 표면이 부드러운 형상의 3D 프린팅 결과물을 얻을 수 있다.

상기 3D 프린팅 소재에 있어서, 석회는 응집력이나 접합력이 있어 상기 3D 프린팅 소재에 포함된 물질들을 결합하는 결합재 역할을 할 수 있다. 상기 석회의 사용으로 인장강도 내지 압축 강도가 높은 3D 프린팅 결과물을 얻을 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 석회의 입경이 150 μm 이하의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 석회의 입경이 100 μm 이하, 90 μm 이하, 80 μm 이하, 70 μm 이하, 또는 60 μm 이하의 크기를 가질 수 있다. 상기 범위에서 황토와의 혼합이 용이하고, 견고하고 밀도가 높은 3D 프린팅 결과물을 얻을 수 있다.

상기 석회의 평균 입경이 5 내지 30 μm 범위일 수 있으며, 예를 들어 7 내지 20 μm 범위, 또는 10 내지 15 μm 범위일 수 있다. 상기 범위에서 황토와의 혼합이 용이하고, 견고하고 밀도가 높은 3D 프린팅 결과물을 얻을 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 황토 또는 백토와 석회의 혼합 비율이 10:1 내지 1:5의 중량비일 수 있다. 예를 들어, 상기 황토 또는 백토와 석회의 혼합 비율이 10:1보다 크고, 1:3 이하의 중량비일 수 있다. 예를 들어, 상기 황토 또는 백토와 석회의 혼합 비율이 5:1 내지 1:3의 중량비일 수 있다. 예를 들어, 상기 황토 또는 백토와 석회의 혼합 비율이 2:1 내지 1:2 중량비일 수 있다. 상기 범위에서 인장 강도 내지 압축 강도가 높은 3D 프린팅 결과물을 얻을 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 3D 프린팅 소재는 모래 및 물을 더 포함할 수 있다.

모래는 주변에서 쉽게 구할 수 있으며 우리 생활에 널리 사용되는 등 친환경 특징을 가지고 있다. 상기 3D 프린팅 소재에서 모래의 사용 함량은 원하는 특성 및 구조물의 특징에 따라 달라질 수 있다.

물은 노즐을 통한 토출이 가능하고 성형 가능하도록 상기 3D 프린팅 소재의 점도를 조절해 줄 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 황토 또는 백토와 물의 혼합 비율은 10:5 내지 10:0.1의 중량비일 수 있다. 예를 들어, 상기 황토 또는 백토와 물의 혼합 비율은 10:4 내지 10:0.5, 또는 10:3.5 내지 10:1의 중량비일 수 있다. 상기 범위에서 원하는 점도의 3D 프린팅 소재를 얻을 수 있다.

상기 3D 프린팅 소재는 필요에 따라 무기질 결합재, 혼합재, 식물성 수지, 섬유 소재, 혼화제 등을 하나 이상 더 포함할 수 있다. 상기 3D 프린팅 소재는 친환경 무기소재 등과 접목하여 기존 시멘트 제품 대비 CO₂ 발생을 1/10 수준으로 낮춰 생산이 가능할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서는, 상기 3D 프린팅 소재를 이용한 3D 프린팅 방법이 제공된다.

예를 들어, 상기 3D 프린팅 방법은 3D 프린팅 시 흙 소재의 층간두께는 1mm 내지 5mm로 하고, 노즐직경 2mm, 출력속도 10mm/s 기준으로 밀어내는 양은 20mm³/s이 되도록 할 수 있다.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 예시적인 구현예들이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예 및 비교예는 기술적 사상을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.

실시예

도 1은 일 실시예에 따른 황토 및 석회를 포함하는 3D 프린팅 소재를 이용한 3D 프린팅 공정에 대한 모식도이다.

본 실시예에서는 석회, 황토, 모래를 적정비율로 혼합하여 만든 전통재료인 삼물회를 3D 프린팅 흙 건축소재로 사용하기 위한 실험을 수행하였다. 연구실 수준의 재료압축(Material Extrustion, ME) 프린팅 장비의 제한된 노즐 사이즈로 인해 노즐 직경 대비 입자 사이즈가 큰 모래는 본 단계에서는 제외되었고, 황토는 100 mesh로 체를 쳐 거른 황토를 사용하였다.

도 2는 황토를 거르기 전후의 입도 분포 변화를 보여주는 그래프이다. 거르기 전 황토의 평균 입경은 407.7μm이고, 거른 후 황토의 평균 입경은 44.35μm이었다.

도 3은 사용된 석회의 입도 그래프이다. 석회의 평균 입경은 13.46μm이었다.

1차 실험

1차 실험에서는 석회의 첨가량에 따른 형상 제작 여부와 강도 특성을 평가하기 위해 거른 황토와 석회의 혼합 비율을 1:0, 1:2, 1:1, 2:1, 10:1의 중량 비로 혼합하여 흙 다짐 방법으로 시편을 제작하였다. 여기서, 모래는 혼합하지 않았고, 물은 황토 10g당 3.5g의 비율로 첨가하였다.

도 4는 1차 실험에서 황토와 석회의 혼합 비율에 따른 구조물의 이미지이다.

상기 제작된 시편들은 오븐에서 상온 25도에서 7일동안 양생시킨 후 휨 강도실험를 통해 강도 특성을 비교 분석하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5를 참조하면, 휩 강도 실험 결과, 석회 첨가량이 많아질수록 강도가 커짐을 확인하였다.

또한, 상기 제작된 시편들의 표면 형상을 관찰한 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6을 참조하면, 거른 황토 100%의 경우보다 석회가 혼합된 경우 표면이 더 부드러운 형상이 제작되었음을 알 수 있다.

2차 실험

2차 실험에서는 3D 프린팅으로 출력했을 때 원활한 출력과 강도향상을 기대하며 300mesh로 체를 쳐 거른 황토를 사용하였다. 랩스케일의 ME 프린팅 장비를 이용하여 압축강도실험 시편을 제작하였고 압축실험결과는 타 황토벽돌, 시멘트 결합재와 비교하였다.

도 7은 2차 실험에서 3D 프린팅으로 제작된 황토 구조물의 압축실험 과정이다.

도 8은 2차 실험에서 3D 프린팅으로 제작된 황토 구조물의 압축실험 결과이다. 도 8에서 압축강도의 단위는 MPa이다. 또한, 황토 모르타르는 전통방식으로 제조한 황토 구조물이며, OPC(Ordinary Portland Cenment)는 보통 포틀랜드 시멘트이며, 3D 프린팅된 미분황토는 300mesh로 체를 쳐 거른 황토를 물과 배합하여 3D 프린팅한 구조물을 말한다. 도 8에서 3D 프린팅된 미분황토를 제외한 나머지 데이터는 논문 “혼화재료를 혼입한 황토모르타르의 물리적 특성 평가(Physical properties of Loess Mortar containing Admixture)”, 강혜선 등, 한국콘크리트학회 2013년도 가을 학술대회 논문집, 2013.10, 257-258 를 참조하였다.

도 8에서 보는 바와 같이, 상기 3D 프린팅된 미분황토는 3D 프린팅으로 제조하였지만 일반적으로 쓰이는 모르타르에 비해충분한 강도를 갖는 것을 알 수 있다.

시험결과 일 실시예에 따른 3D 프린팅 소재는 실제로 건축에 적용되는 황토 모르타르에 대해 충분히 압축강도를 갖는 것을 알 수 있다. 본 기술을 통해 얻은 3D 프린팅 소재는 건축용 3D 프린팅 소재로 사용할 수도 있고, 내장재 등의 구조체를 프린팅할 때 사용할 수도 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

1. 황토 또는 백토 중 적어도 하나 및 석회를 포함하고,
   상기 황토 또는 백토의 평균 입경이 10 내지 100 μm 범위이고,
   상기 석회의 평균 입경이 5 내지 30 μm 범위인 건축용 3D 프린팅 소재.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 황토 또는 백토와 석회의 혼합 비율이 10:1 내지 1:5의 중량비인 건축용 3D 프린팅 소재.
7. 제1항에 있어서, 모래 및 물을 더 포함하는 건축용 3D 프린팅 소재.
8. 제7항에 있어서, 상기 황토 또는 백토와 물의 혼합 비율이 10:5 내지 10:0.1의 중량비인 건축용 3D 프린팅 소재.
9. 제1항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 건축용 3D 프린팅 소재를 이용한 건축소재의 3D 프린팅 방법.

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