KR102398854B1

KR102398854B1 - 굴패각 분말 혼합물의 3d 적층가공 방법

Info

Publication number: KR102398854B1
Application number: KR1020220018254A
Authority: KR
Inventors: 윤정원; 방유섭; 이창석
Original assignee: 서울시립대학교 산학협력단
Priority date: 2022-02-11
Filing date: 2022-02-11
Publication date: 2022-05-16

Abstract

본 발명은, 유용미생물(EM)을 활용하여 굴패각의 유기물을 분해하는 1단계; 상기 굴패각을 건조 및 분쇄하여 굴패각 분말을 제조하는 2단계; 상기 굴패각 분말에 아교액과 물을 혼합하여 3D 프린팅용 소재를 제조하는 3단계; 상기 3D 프린팅용 소재를 주사기에 공극없이 채우고, 주사기에서 3D 프린팅용 소재를 압출하여 점도 테스트를 하는 4단계; 상기 3D 프린팅용 소재를 3D 프린터용 실린더에 공극없이 채워넣고 도출하여 제품을 성형하는 5단계;로 이루어지는 굴패각 분말 혼합물의 3D 적층가공 방법을 제공한다.

Description

굴패각 분말 혼합물의 3D 적층가공 방법{3D Additive Manufacturing Method of Recycled Oyster Shell Powder Mixture}

본 발명은 굴패각 분말과 아교액 또는 해초풀 등을 혼합하여 3D 프린팅 소재를 제조하고 이를 3D 프린터로 출력할 수 있도록 하는 기술에 대한 것이다.

굴 패각은 남해안을 중심으로 많은 양이 매년 발생하고 있으며, 굴 패각을 이용한 비료와 굴 양식을 위한 채묘용으로 활용되지만 상당한 양이 처리가 곤란한 상태이며, 현재 굴 패각은 땅에 뭍거나 태우거나 바다에 버릴 수도 없으며, 방치되거나 무단투기된 굴패각은 참기 힘든 악취가 발생하여 지역 주민들의 민원이 제기되는 등 해당 지역에서 해결이 어려운 환경 및 사회 문제로 대두되고 있다.

한편, 굴패각의 주성분인 CaCO3는 석고보드와 같이 단열성능이 우수하고, 굴패각의 입자는 건축자재로서 활용할 수 있으며, 현재 굴패각을 활용한 건축자재의 선행기술은 있으나 악취 및 불순물의 제거를 위한 고온의 소성과정과 강산성과 강알카리성의 화학적인 전처리 과정을 위한 고가의 설비와 과정의 복잡성 그리고 채산성문제로 실제 적용되는 사례도 찾기 어려운 상황이다. 특히 화학적인 전처리과정은 강산성과 강알카리성의 폐기물이 발생하는 환경적인 문제가 발생한다.

그리고, 현재 전 세계적으로 지속가능성에 대한 공감대가 형성되면서, 자원 활용, 내재에너지, 이산화탄소 배출 저감 등에 대한 건축적 노력이 중요해지고 있으며, 국내에서 굴껍데기는 연간 약 28만 톤이 발생하고, 비료, 사료, 건축 자재 등으로 활용될 수 있다. 특히 통영서는 약 15만 톤의 굴껍데기가 발생하지만 약 3만 톤의 굴껍데기가 「폐기물관리법」에 따른 ‘사업장 폐기물’ 로 방치되며 활용되지 못하고 있으며(TYNP, 2019), 재활용 처리 비용 및 품질의 한계가 지적된다. 굴껍데기 재활용 활성화를 위해, 「수산부산물 재활용 촉진에 관한 법률」이 최근 제정되기도 하는 등, 굴패각 활용에 대한 효율적인 기술이 필요한 실정이다.

특허 제10-0481082호: 굴패각을 혼합한 콘크리트 및 그 제조방법

본 발명은 굴패각 분말의 건축적 모듈 제작이 가능하도록 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 굴껍데기의 분말을 건축 모듈 제품으로 활용할 수 있도록 하되 재료의 배합 및 디자인 면에서 굴패각 분말의 혼합물이 3D 프린팅 적층이 가능하도록 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 3단계에서 제조되는 3D 프린팅용 소재는, 물 1중량부에 대하여, 굴패각 분말 3.75~4.25중량부, 아교 0.25~0.325중량부로 구성된다.

또한, 본 발명은, 유용미생물(EM)을 활용하여 굴패각의 유기물을 분해하는 1단계; 상기 굴패각을 건조 및 분쇄하여 굴패각 분말을 제조하는 2단계; 상기 굴패각 분말에 해초풀과 물을 혼합하여 3D 프린팅용 소재를 제조하는 3단계; 상기 3D 프린팅용 소재를 주사기에 공극없이 채우고, 주사기에서 3D 프린팅용 소재를 압출하여 점도 테스트를 하는 4단계; 상기 3D 프린팅용 소재를 3D 프린터용 실린더에 공극없이 채워넣고 도출하여 제품을 성형하는 5단계;로 이루어질 수도 있다.

상기 3단계에서 제조되는 3D 프린팅용 소재는, 물 1중량부에 대하여, 굴패각 분말 3중량부, 해초풀 1중량부로 구성되는 것이 좋다.

상기 4단계의 점도 테스트는, 상기 주사기가 지면에 수직한 상태에서, 상기 주사기에서 3D 프린팅 소재를 지면에 수직한 원기둥 형상으로 압출한 후, 압출된 원기둥 형상이 수직에서 휘어지는 정도를 고려하여 소재의 점성을 판단하는 것으로, 상기 3D 프린팅 소재는 5~7cm 높이의 원기둥 형상으로 압출되고, 상단의 끝단이 1~3°범위에서 휘어지는 경우에 적절한 점도로 판단하는 것이 좋다.

상기 2단계에서, 굴패각의 분쇄는 스톤 밀 또는 볼밀로 분쇄하며 입자 크기는 200 메쉬(mesh)이하로 이루어지는 것이 좋다.

본 발명은, 환경 문제를 야기하는 굴껍데기의 분말을 시멘트의 대체 자원으로 재활용하여, 블록 및 타일과 같은 건축 모듈 제품으로 활용할 수 있으며, 특히 굴패각 분말 재료의 배합 및 디자인 면에서 3D 프린팅 적층이 가능하도록 한 효과가 발휘된다. 이를 통해, 미적으로 그리고 친환경적 요소가 융합된 건축 모듈 개발에 폐기물을 활용하고 건축 재료와 디지털 패브리케이션 기술을 융합 활용할 수 있는 효과가 발휘된다.

도 1은 본 발명에 따른 굴패각 분말 혼합물의 3D 적층가공 방법의 전체적인 공정 흐름도이며,
도 2 내지 도 4는 상기 도 1의 공정의 세부 상세 공정으로서, 도 2는 굴패각을 처리하여 분말화하는 과정이며, 도 3은 굴패각 분말에 아교액 등을 혼합하고 적정점도를 테스트하는 공정이며, 도 4는 굴패각 분말과 아교액 등의 혼합물을 3D프린터로 출력하는 과정이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에서는 굴패각 분말을 이용하여 3D 프린팅을 할 수 있도록 하는 프린팅 소재를 구성하는 성분 및 이들 성분들의 배합비율 등을 도출하였다. 본 발명에서는 굴껍데기 분말(OP)을 주재료로 하고, 바인더에는 해초풀(B사)(S)과 아교액(S사)(G)을 사용하고, 3D 프린팅 노즐 크기를 고려하여 짚 등의 보강 섬유 대신 편백나무가루(CTP)를 배합하였다. 다양한 배합 실험을 통해 3D 프린팅에 적합한 점성과 적층의 안정성을 가진 재료의 구성과 비율을 찾고자 하였다. 배합 실험에는 OP와 물의 혼합, OP 및 G의 물 혼합, OP, G, CTP의 물 혼합, 그리고 OP, S 및 물 혼합으로 진행되었는데, OP와 G의 혼합에는 서로 다른 아교액과 물의 비율이 적용되었다. 굴 껍데기 분말만 사용하면 점성이 충분하지 않으며, 아교액과 물의 비율 조절을 통해 3D 프린팅에 적합한 점성을 찾았다. 편백나무 가루를 혼합할 경우, 편백나무 가루로 인해 배합체 내 공극이 많이 발생하여 반죽의 균질한 압출에 어려움을 야기했다. 아교액 대신 해초풀을 사용할 경우에는 혼합 직후의 점성은 적합해 보였으나, 점차 표면이 거칠어지고 건조하면서 갈라지는 현상을 보였다

3D 프린팅의 적합한 점성에 대한 평가를 위해 주사기 테스트(Syringe Test)를 수행하였다. 배합된 재료를 주사기에 공극 없이 넣은 뒤, 아래 그림과 같이 수직으로 뽑아내어 사출물의 점성과 질기를 확인했다.

이를 통해 세라믹 3D 프린터의 노즐을 통해 재료가 잘 사출될 수 있는지, 사출된 재료가 안정적으로 적층이 될 것인지를 확인하였다. 주사기로부터 사출된 재료가 수직에 가까울수록 재료의 점성이높음을 의미한다. 과도하게 높은 점성은 기계 내부에 압착되어 재료 자체가 노즐을 통과하지 못하게 한다. 반면, 사출된 재료가 수평에 가까울수록 재료의 점성이 낮음을 의미하는데, 이 경우 노즐을 통한 사출은 원만하지만, 재료가 적층되면서 무게를 버티지 못하고 형상이 무너진다.

6가지 배합 재료별 테스트 결과 및 3D 프린팅 결과의 성공 여부는 표와 같이 정리할 수 있다. 배합별 테스트(Syringe Test) 및 3D Printing 결과이며 O:성공, X:실패를 의미한다.

모델링에는 라이노, 슬라이싱 및 G-Code 변환에는 Cura를 사용하여 가운

데가 뚫린 타일을 디자인, 제작하였다. 주사기 테스트(Syringe Test)를 통해 확인된 배합을 3D 프린팅에 적용하였으며, 출력에 성공한 B-1, B-3, D-1의 결과물은 그림과 같다.

실험 결과 아교액을 사용했을 경우, 3D 프린팅 출력의 안정성이 높았는데, 해초풀을 바인더로 사용하는 경우와 비교해본다면, 더 높은 유동성과 낮은 공극이 유리하게 작동한 것으로 보인다. 본 발명은 이를 기초로 굴패각 분말과 바인더로 아교액 또는 해초풀을 사용하였고 이들 각각의 배합비율을 아래와 같이 도출하였다.

도 1은 본 발명에 따른 굴패각 분말 혼합물의 3D 적층가공 방법의 전체적인 공정 흐름도이며, 도 2 내지 도 4는 상기 도 1의 공정의 세부 상세 공정이다. 도 2는 굴패각을 처리하여 분말화하는 과정이며, 도 3은 굴패각 분말에 아교액 등을 혼합하고 적정점도를 테스트하는 공정이며, 도 4는 굴패각 분말과 아교액 등의 혼합물을 3D프린터로 출력하는 과정이다.

도 2를 참조하면, 1단계에서 굴패각을 처리하는 과정은 먼저 굴패각에서 이물질을 제거하고 세척하게 된다. 그리고, 굴패각을 세척 후 유용미생물(EM)을 활용하여 굴패각에 존재하는 유기물을 분해하게 된다. 그리고, 2단계에서는 유기물 분해과정을 거친 굴패각을 소정의 방법으로 건조한 후 분쇄하여 굴패각 분말을 제조한다. 분쇄는 스톤밀 또는 볼밀 등의 기계장비를 사용하여 굴패각을 고운분말 상태로 분쇄하게 된다. 입자의 크기는 200 메쉬(60~80 micron) 정도의 a등급과, 150~80 micron정도의 b등급으로 구분할 수 있는데, 굴패각의 분쇄는 스톤 밀 또는 볼밀로 분쇄하며 입자 크기는 200 메쉬(mesh)이하로 구성되도록 하는 것이 좋다.

도 3을 보면, 상기 3단계에서는, 상기 굴패각 분말에 아교액과 물을 혼합하여 3D 프린팅용 소재를 제조하거나, 굴패각 분말에 해초풀과 물을 혼합하여 3D 프린팅용 소재를 제조하는 것을 보여주고 있다. 그리고, 4단계에서는 상기 3D 프린팅용 소재를 주사기에 공극없이 채우고, 주사기에서 3D 프린팅용 소재를 압출하여 점도 테스트를 시행한다. 상기 점도 테스트는 3D 프린팅에 적합한 정도의 점도를 가지고 있는지를 테스트하는 것으로, 점도 테스트(Syringe Test)는, 상기 주사기가 지면에 수직한 상태에서, 상기 주사기에서 3D 프린팅 소재를 지면에 수직한 원기둥 형상으로 압출한다. 이 후, 압출된 원기둥 형상이 수직에서 휘어지는 정도를 고려하여 소재의 점성을 판단하게 되는데, 이를 위해 바람직하게는 3D 프린팅 소재를 압출하되 5~7cm 높이의 원기둥 형상으로 압출하고, 원기둥 형상 상단의 끝단이 1~3°범위에서 휘어지는 경우에 적절한 점도로 판단한다.

그리고, 5단계에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 점도 테스트를 통과한 상기 3D 프린팅용 소재를 3D 프린터용 실린더에 공극없이 채워넣고 도출하여 제품을 성형하게 된다.

상기 3단계에서 굴패각 분말과 아교를 혼합하는 경우에는, 상기 3D 프린팅용 소재는, 물 1중량부에 대하여, 굴패각 분말 3.75~4.25중량부, 아교 0.25~0.325중량부로 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 3단계에서 굴패각 분말과 해초풀을 혼합하는 경우에는, 3D 프린팅용 소재는, 물 1중량부에 대하여, 굴패각 분말 3중량부, 해초풀 1중량부로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서의 배합에 사용된 아교액은 동물성 단백질 성분으로 이루어져 있으며, 해초풀은 우뭇가사리 천연 해초풀로 이루어지는 것이 좋다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

유용미생물(EM)을 활용하여 굴패각의 유기물을 분해하는 1단계;
상기 굴패각을 건조 및 분쇄하여 굴패각 분말을 제조하는 2단계;
상기 굴패각 분말에 아교액과 물을 혼합하여 3D 프린팅용 소재를 제조하는 3단계;
상기 3D 프린팅용 소재를 주사기에 공극없이 채우고, 주사기에서 3D 프린팅용 소재를 압출하여 점도 테스트를 하는 4단계;
상기 3D 프린팅용 소재를 3D 프린터용 실린더에 공극없이 채워넣고 도출하여 제품을 성형하는 5단계;로 이루어지고,
상기 4단계의 점도 테스트는,
상기 주사기가 지면에 수직한 상태에서, 상기 주사기에서 3D 프린팅 소재를 지면에 수직한 원기둥 형상으로 압출한 후, 압출된 원기둥 형상이 수직에서 휘어지는 정도를 고려하여 소재의 점성을 판단하는 것을 특징으로 하는 굴패각 분말 혼합물의 3D 적층가공 방법.
제1항에 있어서,
상기 3단계에서 제조되는 3D 프린팅용 소재는,
물 1중량부에 대하여, 굴패각 분말 3.75~4.25중량부, 아교 0.25~0.325중량부로 구성되는 것을 특징으로 하는 굴패각 분말 혼합물의 3D 적층가공 방법.
유용미생물(EM)을 활용하여 굴패각의 유기물을 분해하는 1단계;
상기 굴패각을 건조 및 분쇄하여 굴패각 분말을 제조하는 2단계;
상기 굴패각 분말에 해초풀과 물을 혼합하여 3D 프린팅용 소재를 제조하는 3단계;
상기 3D 프린팅용 소재를 주사기에 공극없이 채우고, 주사기에서 3D 프린팅용 소재를 압출하여 점도 테스트를 하는 4단계;
상기 3D 프린팅용 소재를 3D 프린터용 실린더에 공극없이 채워넣고 도출하여 제품을 성형하는 5단계;로 이루어지고,
상기 4단계의 점도 테스트는,
상기 주사기가 지면에 수직한 상태에서, 상기 주사기에서 3D 프린팅 소재를 지면에 수직한 원기둥 형상으로 압출한 후, 압출된 원기둥 형상이 수직에서 휘어지는 정도를 고려하여 소재의 점성을 판단하는 것을 특징으로 하는 굴패각 분말 혼합물의 3D 적층가공 방법.
제3항에 있어서,
상기 3단계에서 제조되는 3D 프린팅용 소재는,
물 1중량부에 대하여, 굴패각 분말 3중량부, 해초풀 1중량부로 구성되는 것을 특징으로 하는 굴패각 분말 혼합물의 3D 적층가공 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 3D 프린팅 소재는 5~7cm 높이의 원기둥 형상으로 압출되고, 상단의 끝단이 1~3°범위에서 휘어지는 경우에 적절한 점도로 판단하는 것을 특징으로 하는 굴패각 분말 혼합물의 3D 적층가공 방법.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 2단계에서,
굴패각의 분쇄는 스톤 밀 또는 볼밀로 분쇄하며 입자 크기는 200 메쉬(mesh)이하인 것을 특징으로 하는 굴패각 분말 혼합물의 3D 적층가공 방법.