KR102453291B1 - Binderjet 3D printing apparatus and method - Google Patents

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KR102453291B1
KR102453291B1 KR1020210066793A KR20210066793A KR102453291B1 KR 102453291 B1 KR102453291 B1 KR 102453291B1 KR 1020210066793 A KR1020210066793 A KR 1020210066793A KR 20210066793 A KR20210066793 A KR 20210066793A KR 102453291 B1 KR102453291 B1 KR 102453291B1
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백재호
배민아
김경호
이만식
이정훈
최지환
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Abstract

The present invention relates to a binder jet 3D printing device and a method thereof, and more specifically, to a binder jet 3D printing device and a method thereof capable of simultaneously performing flattening and curing to perform continuous stacking work without waiting time for curing unlike a conventional 3D printer. According to an embodiment of the present invention, the binder jet 3D printing device comprises: a build stage (1) which provides a space in which particulate materials (M) are stacked; a print head (2) which applies a binder (B) to the stacked particulate materials (M); and a flattening unit which flattens the particulate materials (M) stacked in the build stage (1) in an upper part of the build stage (1). By including a heating unit in the flattening unit, the binder jet 3D printing device stacks and flattens the particulate materials (M) and cures the binder (B) applied to the particulate materials (M) through the flattening unit at the same time.

Description

바인더젯 3D 프린팅 장치 및 방법{Binderjet 3D printing apparatus and method}Binderjet 3D printing apparatus and method

본 발명은 바인더젯 3D 프린팅 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 기존 3D 프린터와는 달리 경화를 위해 대기하는 시간 없이 연속적인 적층 작업이 가능하도록, 평탄화 및 경화를 동시에 진행하는 바인더젯 3D 프린팅 장치 및 방법을 제공한다.The present invention relates to a binderjet 3D printing apparatus and method, and more particularly, binderjet 3D printing in which flattening and curing are simultaneously performed so that continuous lamination work is possible without waiting time for curing, unlike conventional 3D printers. An apparatus and method are provided.

바인더(경화제)를 이용하여 미립자 재료(모래, 금속, 폴리머, 세라믹, 목재, 셀룰로오스, 락토스, 염류, 카본, 경질 재료, 글라스, 시멘트, 석고 등)를 고화/접합/경화시켜 3차원 형상의 출력물을 출력하는 3D 프린터 장치가 개발되어 있다.Using a binder (hardener) to solidify/bond/harden particulate materials (sand, metal, polymer, ceramic, wood, cellulose, lactose, salt, carbon, hard material, glass, cement, gypsum, etc.) A 3D printer device that outputs

국내공개특허공보 제10-2016-0078355호에는 "바인더 에이전트 시스템을 이용하여 삼차원 모델을 생산하기 위한 방법 및 디바이스"가 개시되어 있다.Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2016-0078355 discloses “a method and a device for producing a three-dimensional model using a binder agent system”.

상기 특허문헌에서는, ① 미립자 재료에 미리 분말 코터(powder coater)를 코팅한 뒤 미립자 재료에 바인더를 도포하고, ② 두~세 층(레이어)을 적층한 뒤에 IR 램프로 경화를 위한 대기 시간을 가지는 방식으로 3차원 출력물을 출력하고 있다.In the above patent document, ① coating a powder coater on the particulate material in advance, applying a binder to the particulate material, ② laminating two to three layers (layers), and then having a waiting time for curing with an IR lamp 3D output is output in this way.

상기와 같은 종래 3차원 프린터 장치는, ① 미립자 재료에 분말 코터 및 바인더를 사용하는 2액형 방식이라는 점에서 사용한 미립자 재료의 재사용이 불가능하므로(경화 단계 등에서 미립자 재료/코팅제/바인더 등이 변형됨), 2액형 방식에서는 본 발명의 실시 예에 따른 경화 방식(롤러를 통한 직접(전도) 가열 방식)을 사용할 수 없다. 또한, ② IR 램프(복사열)를 이용한 경화 방식을 채용하고 있어서 전체 작업 속도가 현저하게 느리다는 한계점이 있다.In the conventional 3D printer apparatus as described above, it is impossible to reuse the particulate material used in the sense that ① it is a two-component method using a powder coater and a binder for the particulate material (the particulate material/coating agent/binder, etc. are deformed in the curing step, etc.) , in the two-component method, the curing method (direct (conduction) heating method through a roller) according to an embodiment of the present invention cannot be used. In addition, ② there is a limitation in that the overall work speed is remarkably slow because a curing method using an IR lamp (radiant heat) is adopted.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전술한 바와 같은 종래 (바인더젯 방식의) 3D 프린팅 장치의 한계점을 해결하기 위하여, 미립자 재료(적층제)의 평탄화 작업과 경화 작업을 동시에 진행하며, 미립자 재료에 별다른 전처리(코팅제 사용 등) 없이 단일한 바인더 도포 만으로 3차원 출력물을 출력할 수 있는 1액형 바인더젯 3D 프린팅 장치를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is, in order to solve the limitations of the conventional (binder jet method) 3D printing apparatus as described above, planarization work and hardening work of the particulate material (laminate) are simultaneously performed, and the particulate material is An object of the present invention is to provide a one-component binderjet 3D printing apparatus capable of outputting a three-dimensional output with only a single binder application without any pretreatment (using a coating agent, etc.).

본 발명은 전술한 바와 같은 종래 3D 프린팅 장치의 한계점을 해결하기 위하여, 미립자 재료(M)가 적층되는 공간을 제공하는 빌드 스테이지(1); 상기 빌드 스테이지(1)의 상부에서, 적층된 상기 미립자 재료(M)에 바인더(B)를 도포하는 프린트 헤드(2); 및 상기 빌드 스테이지(1)에 적층된 미립자 재료(M)를 평탄화하는 평탄화수단;을 포함하되, 상기 평탄화수단에는 가열수단;이 구비되어, 상기 평탄화수단을 통해, 미립자 재료(M)를 적층 및 평탄화함과 동시에 미립자 재료(M)에 도포된 바인더(B)를 경화시키는, 바인더젯 3D 프린팅 장치를 제공한다.The present invention provides a build stage (1) providing a space in which the particulate material (M) is laminated in order to solve the limitations of the conventional 3D printing apparatus as described above; a print head (2) for applying a binder (B) to the laminated particulate material (M) on the upper part of the build stage (1); and planarization means for flattening the particulate material M stacked on the build stage 1; wherein the flattening means includes a heating means, and through the planarization means, the particulate material M is laminated and Provided is a binderjet 3D printing apparatus for flattening and curing the binder (B) applied to the particulate material (M) at the same time.

또한, 상기 평탄화수단은: 소정의 직경을 가지는 원통형으로 구성되는 롤러(3); 상기 롤러(3)의 양측으로 각각 신장되어 구비되는 샤프트(4); 상기 샤프트(4)와 연결되어, 샤프트(4)를 축방향에 수직한 방향에 대해 고정하는 베어링(5); 및 상기 베어링(5)과 연결되어, 상기 롤러(3)를 적층된 미립자 재료(M)에 대해 수평한 방향으로 이송시키는 이송수단; 상기 롤러(3)를 상기 적층된 미립자 재료(M)를 가압하며 이송시킴으로써 미립자 재료(M)를 평탄화시키도록 구성될 수 있다.In addition, the flattening means includes: a roller 3 having a cylindrical shape having a predetermined diameter; Shafts 4 extending to both sides of the roller 3, respectively; a bearing 5 connected to the shaft 4 and fixing the shaft 4 in a direction perpendicular to the axial direction; and conveying means connected to the bearing (5) for conveying the roller (3) in a horizontal direction with respect to the laminated particulate material (M). The roller 3 may be configured to flatten the particulate material M by pressing and conveying the laminated particulate material M.

그리고, 상기 빌드 스테이지(1)로부터 소정의 거리 내에 구비되어, 빌드 스테이지(1)에 공급할 미립자 재료(M)를 저장하는 피드 스테이지(6);를 포함하여, 상기 롤러(3)를 이송시킴으로써 피드 스테이지(6)의 미립자 재료(M) 일부를 빌드 스테이지(1)로 공급하도록 구성될 수 있다.And, a feed stage (6) provided within a predetermined distance from the build stage (1) to store the particulate material (M) to be supplied to the build stage (1); including; It may be configured to feed a portion of the particulate material M of the stage 6 to the build stage 1 .

아울러, 상기 빌드 스테이지(1) 및 피드 스테이지(6)에는 각각 구비되는 높이조절수단(7);을 포함하여, 상기 피드 스테이지(6)로부터 빌드 스테이지(1)로 미립자 재료(M)를 공급하기 전에, 상기 피드 스테이지(6)의 미립자 재료(M) 표면이 빌드 스테이지(1)의 미립자 재료(M) 표면보다 높은 위치가 되도록 피드 스테이지(6)의 높이를 조절하고, 상기 프린트 헤드(2)에서 바인더(B)를 도포하기 전에, 상기 빌드 스테이지(1)의 미립자 재료(M) 표면으로부터 상기 프린트 헤드(2) 사이의 거리가 소정의 범위 내에서 유지되도록 빌드 스테이지(1)의 높이를 조절하도록 구성될 수 있다.In addition, the build stage (1) and the feed stage (6) is provided with a height adjustment means (7), respectively; to supply the particulate material (M) from the feed stage (6) to the build stage (1) Before, the height of the feed stage 6 is adjusted so that the surface of the particulate material M of the feed stage 6 is at a position higher than the surface of the particulate material M of the build stage 1, and the print head 2 Before applying the binder (B) at can be configured to

또한, 상기 가열수단은: 상기 롤러(3)의 내측에 수용되는 열선(8); 및 상기 롤러(3)에 구비되는 온도센서(9);를 포함하여, 상기 열선(8)에서 발생된 열로 상기 롤러(3)의 표면을 설정된 온도범위 내로 가열 및 온도유지하도록 구성될 수 있다.In addition, the heating means includes: a heating wire (8) accommodated inside the roller (3); and a temperature sensor 9 provided in the roller 3; may be configured to heat and maintain the temperature of the surface of the roller 3 within a set temperature range with the heat generated by the heating wire 8.

그리고, 상기 미립자 재료(M)는: 모래, 금속, 폴리머, 세라믹, 목재, 셀룰로오스, 락토스, 염류, 카본, 경질 재료, 글라스, 시멘트 및 석고를 포함하는 군에서 선택되되, 상기 프린트 헤드(2)로부터 바인더(B)가 도포되기 전에는 상기 바인더(B) 이외의 물질에 의한 코팅 처리를 하지 않도록 구성될 수 있다.And, the particulate material (M) is selected from the group comprising: sand, metal, polymer, ceramic, wood, cellulose, lactose, salt, carbon, hard material, glass, cement and gypsum, wherein the print head (2) Before the binder (B) is applied from the binder (B), it may be configured not to be coated with a material other than the binder (B).

아울러, 상기 바인더(B)는: 실리케이트(silicate) 26~41wt%, 첨가제 3~5wt%, 및 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent) 54~71wt%을 포함하는 무기 바인더로 구성될 수 있다.In addition, the binder (B): 26 to 41 wt% of silicate, 3 to 5 wt% of an additive, and 54 to 71 wt% of a solvent containing a humectant It may be composed of an inorganic binder. .

또한, 1) 피드 스테이지(6)에 미립자 재료(M)를 저장하는 단계; 2) 상기 피드 스테이지(6)로부터 빌드 스테이지(1)로 미립자 재료(M)를 이송시키며, 동시에 평탄화시키는 단계; 3) 상기 빌드 스테이지에서 평탄화된 미립자 재료(M)에, 출력물(O)의 형상에 따라 바인더(B)를 도포하는 단계; 4) 상기 바인더(B)가 도포된 미립자 재료(M)를 다시 평탄화하며, 동시에 경화시키는 단계; 상기 2) 내지 4) 단계를 반복하여 미립자 재료(M)를 적층함으로써, 3차원 형상의 출력물(O)을 프린팅하는, 바인더젯 3D 프린팅 방법을 제공한다.Also, 1) storing the particulate material (M) in the feed stage (6); 2) conveying the particulate material (M) from the feed stage (6) to the build stage (1) and flattening at the same time; 3) applying a binder (B) to the flattened particulate material (M) in the build stage according to the shape of the output (O); 4) flattening the particulate material (M) to which the binder (B) is applied again and curing the same; By repeating steps 2) to 4) to stack the particulate material (M), there is provided a binder jet 3D printing method for printing an output (O) of a three-dimensional shape.

그리고, 전술한 바와 같은 바인더젯 3D 프린팅 장치 및 바인더젯 3D 프린팅 방법 중 어느 하나에 의해 출력된, 3D 프린터 출력물을 제공한다.And, it provides a 3D printer output, output by any one of the binder jet 3D printing apparatus and the binder jet 3D printing method as described above.

본 발명의 실시 예에 따르면, 평탄화수단(롤러)에 구비된 가열부재를 통해, 평탄화수단으로 미립자 재료 및 바인더를 직접 가열(열 전도 방식)함으로써 경화시간을 현저하게 단축시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the curing time can be remarkably shortened by directly heating the particulate material and the binder by the planarization means (heat conduction method) through the heating member provided in the planarization means (rollers).

또한, 미립자 재료에 별다른 코팅 작업 등을 하지 않아도 되므로(1액형 바인더 사용), 경화작업 후에 출력물 이외의 부분을 구성하는 미립자 재료 부분을 그대로 재활용할 수 있다(예를 들어, 미립자 재료로 '모래'를 사용한 경우, 모래가 가열되었던 것 뿐이어서 모래를 그대로 다른 출력물 제조에 사용할 수 있다).In addition, since there is no need for any special coating operation on the particulate material (using a one-component binder), the particulate material part constituting the part other than the output after curing can be recycled as it is (for example, 'sand' as particulate material) is used, the sand has only been heated, and the sand can be used as it is to make other prints).

그리고, IR 램프를 대체한 직접 가열 방식을 사용함으로써, 경화 작업 시 빌드 스테이지의 습도를 별도로 조절할 필요가 없으며, 미립자 재료를 예열하지 않아도 빠른 시간에 출력물을 제조할 수 있다.In addition, by using the direct heating method instead of the IR lamp, there is no need to separately control the humidity of the build stage during curing, and it is possible to quickly produce an output without preheating the particulate material.

아울러, 본 발명의 실시 예에 따른 무기 바인더는 점도와 표면장력이 우수하여 토출 안정성이 확보되고, 제조된 3DP 주형의 강도가 우수하다.In addition, the inorganic binder according to an embodiment of the present invention has excellent viscosity and surface tension, so that discharge stability is secured, and the strength of the manufactured 3DP mold is excellent.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅용 무기 바인더 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 바인더를 이용하여 토출한 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 바인더를 이용하여 토출한 결과이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에 따른 바인더를 이용하여 토출한 결과이다.
도 5는 본 발명의 비교예 2에 따른 바인더를 이용하여 토출한 결과이다.
도 6은 각각 실시예 3 내지 6의 토출 결과를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 바인더젯 3D 프린팅 장치에서 미립자 재료를 빌드 스테이지에 공급하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 바인더젯 3D 프린팅 장치에서 미립자 재료에 바인더를 도포하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 바인더젯 3D 프린팅 장치에서 미립자 재료를 평탄화하며 경화(가열)시키는 상태를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 바인더젯 3D 프린팅 장치에 사용되는 롤러를 나타낸 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 바인더젯 3D 프린팅 장치에 사용되는 롤러를 나타낸 단면도이다.
1 is a schematic diagram showing a method for manufacturing an inorganic binder for 3D printing according to an embodiment of the present invention.
2 is a result of discharging using the binder according to Example 1 of the present invention.
3 is a result of discharging using the binder according to Example 2 of the present invention.
4 is a result of discharging using the binder according to Comparative Example 1 of the present invention.
5 is a result of discharging using a binder according to Comparative Example 2 of the present invention.
6 is a photograph showing the discharge results of Examples 3 to 6, respectively.
7 is a view illustrating a state in which a particulate material is supplied to a build stage in a binder jet 3D printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing a state in which a binder is applied to a particulate material in a binder jet 3D printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
9 is a view showing a state in which the particulate material is planarized and cured (heated) in the binder jet 3D printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
10 is a perspective view illustrating a roller used in a binder jet 3D printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
11 is a cross-sectional view illustrating a roller used in a binder jet 3D printing apparatus according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물 (equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings. However, it is not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and it should be understood to include various modifications, equivalents, and/or alternatives of the embodiments of this document. . In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like components.

본 문서에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.In this document, expressions such as "has," "may have," "includes," or "may include" refer to the presence of a corresponding characteristic (eg, a numerical value, function, operation, or component such as a part). and does not exclude the presence of additional features.

본 문서에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.In this document, expressions such as "A or B," "at least one of A and/and B," or "one or more of A or/and B" may include all possible combinations of the items listed together. . For example, "A or B," "at least one of A and B," or "at least one of A or B" means (1) includes at least one A, (2) includes at least one B; Or (3) it may refer to all cases including both at least one A and at least one B.

본 문서에서 사용된 "제 1," "제 2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.As used herein, expressions such as "first," "second," "first," or "second," may modify various elements, regardless of order and/or importance, and refer to one element. It is used only to distinguish it from other components, and does not limit the components. For example, the first user equipment and the second user equipment may represent different user equipment regardless of order or importance. For example, without departing from the scope of the rights described in this document, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be renamed as a first component.

어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어(operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될수 있다.One component (eg, a first component) is "coupled with/to (operatively or communicatively)" or "connected" to another component (eg, a second component) When referring to "connected to", it should be understood that the certain element may be directly connected to the other element or may be connected through another element (eg, a third element). On the other hand, when it is said that a component (eg, a first component) is "directly connected" or "directly connected" to another component (eg, a second component), the component and the It may be understood that other components (eg, a third component) do not exist between other components.

본 문서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)," "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)," "~하도록 설계된(designed to)," "~하도록 변경된(adapted to)," "~하도록 만들어진(made to)," 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.As used herein, the expression "configured to (or configured to)" depends on the context, for example, "suitable for," "having the capacity to ," "designed to," "adapted to," "made to," or "capable of." The term “configured (or configured to)” may not necessarily mean only “specifically designed to” in hardware. Instead, in some circumstances, the expression “a device configured to” may mean that the device is “capable of” with other devices or parts. For example, the phrase “a processor configured (or configured to perform) A, B, and C” refers to a dedicated processor (eg, an embedded processor) for performing the operations, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , may mean a generic-purpose processor (eg, a CPU or an application processor) capable of performing corresponding operations.

본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.Terms used in this document are only used to describe specific embodiments, and may not be intended to limit the scope of other embodiments. The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Terms used herein, including technical or scientific terms, may have the same meanings as commonly understood by one of ordinary skill in the art described in this document. Among the terms used in this document, terms defined in a general dictionary may be interpreted with the same or similar meaning to the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this document, ideal or excessively formal meanings is not interpreted as In some cases, even terms defined in this document cannot be construed to exclude embodiments of this document.

본 발명의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.Various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims of the present invention, and these modifications are the technical spirit or spirit of the present invention. It should not be understood individually from the perspective.

본 발명의 실시 예에 따르면, 미립자 재료(M)가 적층되는 공간을 제공하는 빌드 스테이지(1); 상기 빌드 스테이지(1)의 상부에서, 적층된 상기 미립자 재료(M)에 바인더(B)를 도포하는 프린트 헤드(2); 및 상기 빌드 스테이지(1)에 적층된 미립자 재료(M)를 평탄화하는 평탄화수단;을 포함하되, 상기 평탄화수단에는 가열수단;이 구비되어, 상기 평탄화수단을 통해, 미립자 재료(M)를 적층 및 평탄화함과 동시에 미립자 재료(M)에 도포된 바인더(B)를 경화시키는, 바인더젯 3D 프린팅 장치를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, the build stage (1) providing a space in which the particulate material (M) is stacked; a print head (2) for applying a binder (B) to the laminated particulate material (M) on the upper part of the build stage (1); and planarization means for flattening the particulate material M stacked on the build stage 1; wherein the flattening means includes a heating means, and through the planarization means, the particulate material M is laminated and Provided is a binderjet 3D printing apparatus for flattening and curing the binder (B) applied to the particulate material (M) at the same time.

상기 빌드 스테이지(1)는 미립자 재료(M) 공급원료가 적층되는 공간을 제공하며, 빌드 스테이지(1) 상부에 구비된 프린트 헤드(2)는 빌드 스테이지(1)와 수평한 방향으로 이송되며 적층된 상기 미립자 재료(M)에 바인더(B)를 도포한다.The build stage 1 provides a space in which the particulate material M feedstock is stacked, and the print head 2 provided on the build stage 1 is transported in a horizontal direction to the build stage 1 and stacked. A binder (B) is applied to the above-mentioned particulate material (M).

상기 평탄화수단은 미립자 재료(M)를 지면에 수평한 평면 형태로 평평하게 다지는 기능을 수행할 수 있다. 미립자 재료(M)를 평면 형태로 적층하는 작업을 반복함으로써 3차원 형상의 출력물(0)을 제조할 수 있게 된다.The flattening means may perform a function of compacting the particulate material (M) flat in a planar form horizontal to the ground. By repeating the operation of laminating the particulate material M in a planar form, it is possible to manufacture the output 0 having a three-dimensional shape.

상기 가열수단은 미립자 재료(M)에 전도 방식으로 직접 열을 전달하는 부재를 의미할 수 있다.The heating means may mean a member that directly transfers heat to the particulate material (M) in a conductive manner.

또한, 상기 평탄화수단은: 소정의 직경을 가지는 원통형으로 구성되는 롤러(3); 상기 롤러(3)의 양측으로 각각 신장되어 구비되는 샤프트(4); 상기 샤프트(4)와 연결되어, 샤프트(4)를 축방향에 수직한 방향에 대해 고정하는 베어링(5); 및 상기 베어링(5)과 연결되어, 상기 롤러(3)를 적층된 미립자 재료(M)에 대해 수평한 방향으로 이송시키는 이송수단; 상기 롤러(3)를 상기 적층된 미립자 재료(M)를 가압하며 이송시킴으로써 미립자 재료(M)를 평탄화시키도록 구성될 수 있다.In addition, the flattening means includes: a roller 3 having a cylindrical shape having a predetermined diameter; Shafts 4 extending to both sides of the roller 3, respectively; a bearing 5 connected to the shaft 4 and fixing the shaft 4 in a direction perpendicular to the axial direction; and conveying means connected to the bearing (5) for conveying the roller (3) in a horizontal direction with respect to the laminated particulate material (M). The roller 3 may be configured to flatten the particulate material M by pressing and conveying the laminated particulate material M.

롤러(3)의 양측으로 각각 신장되어 구비되는 샤프트(4)는 상기 평탄화수단의 축 역할을 하며 열선(8)과 온도센서(9)의 전선이 샤프트(4) 외부로 나가는 통로가 된다. 열선(8)과 온도센서(9)의 전선은 샤프트(4) 내부에서 모아지고 한 개의 실리콘 튜브로 감싸져 컨트롤부에 연결될 수 있다.Shafts 4 respectively extended on both sides of the roller 3 serve as an axis of the flattening means and serve as passages through which the heating wire 8 and the wires of the temperature sensor 9 exit the shaft 4 . The wires of the heating wire 8 and the temperature sensor 9 may be collected inside the shaft 4 and wrapped with a single silicone tube to be connected to the control unit.

또한, 상기 평탄화수단에는 상기 샤프트(4)를 수평방향으로 이송 가능하도록 지지하는 베어링(5)이 구비된다. 도 10을 참조하면, 상기 베어링(5)은 한 쌍으로 이루어지며, 롤러(3)의 양측에 배치되어 롤러(3)를 이송 가능하게 지지한다.In addition, the flattening means is provided with a bearing 5 for supporting the shaft 4 to be transportable in the horizontal direction. Referring to FIG. 10 , the bearing 5 is made of a pair and is disposed on both sides of the roller 3 to support the roller 3 to be transportable.

그리고, 상기 빌드 스테이지(1)로부터 소정의 거리 내에 구비되어, 빌드 스테이지(1)에 공급할 미립자 재료(M)를 저장하는 피드 스테이지(6);를 포함하여, 상기 롤러(3)를 이송시킴으로써 피드 스테이지(6)의 미립자 재료(M) 일부를 빌드 스테이지(1)로 공급하도록 구성될 수 있다.And, a feed stage (6) provided within a predetermined distance from the build stage (1) to store the particulate material (M) to be supplied to the build stage (1); including; It may be configured to feed a portion of the particulate material M of the stage 6 to the build stage 1 .

베어링(5)에 수평방향 이송 힘을 가하게 되면 롤러(3)가 베어링(5)에 대해 회전운동하여 롤러(3)의 표면과 미립자 재료(M)의 표면이 접촉하며, 수평으로 이송하는 롤러(3)에 의해 수평방향 힘을 받는 미립자 재료(M)들이 피드 스테이지(6)로부터 빌드 스테이지(1) 방향으로 밀려나면서 빌드 스테이지(1)에 공급된다. 이러한 상태가 도 7에 도시되어 있다.When a horizontal feeding force is applied to the bearing 5, the roller 3 rotates with respect to the bearing 5 so that the surface of the roller 3 and the surface of the particulate material M contact, and the horizontally conveying roller ( The particulate materials M subjected to a horizontal force by 3) are supplied to the build stage 1 while being pushed from the feed stage 6 toward the build stage 1 . This state is shown in FIG. 7 .

아울러, 상기 빌드 스테이지(1) 및 피드 스테이지(6)에는 각각 구비되는 높이조절수단(7);을 포함하여, 상기 피드 스테이지(6)로부터 빌드 스테이지(1)로 미립자 재료(M)를 공급하기 전에, 상기 피드 스테이지(6)의 미립자 재료(M) 표면이 빌드 스테이지(1)의 미립자 재료(M) 표면보다 높은 위치가 되도록 피드 스테이지(6)의 높이를 조절하고, 상기 프린트 헤드(2)에서 바인더(B)를 도포하기 전에, 상기 빌드 스테이지(1)의 미립자 재료(M) 표면으로부터 상기 프린트 헤드(2) 사이의 거리가 소정의 범위 내에서 유지되도록 빌드 스테이지(1)의 높이를 조절하도록 구성될 수 있다.In addition, the build stage (1) and the feed stage (6) is provided with a height adjustment means (7), respectively; to supply the particulate material (M) from the feed stage (6) to the build stage (1) Before, the height of the feed stage 6 is adjusted so that the surface of the particulate material M of the feed stage 6 is at a position higher than the surface of the particulate material M of the build stage 1, and the print head 2 Before applying the binder (B) at can be configured to

높이조절수단(7)을 통해 피드 스테이지(6)의 미립자 재료(M) 표면이 빌드 스테이지(1)보다 소정의 높이만큼 상승하면 롤러(3)가 베어링(5)에 대해 회전운동하여 피드 스테이지(6) 내부에 있는 미립자 재료(M)들을 빌드 스테이지(1)로 밀어낸다. 미립자 재료(M)들은 빌드 스테이지(1)에 적층되어 프린트 헤드(2)를 통해 바인더(B)가 도포되며, 빌드 스테이지(1)는 높이조절수단(7)을 통해 소정의 높이만큼 하강하여 미립자 재료(M)를 추가로 공급받을수 있도록 구성될 수 있다.When the surface of the particulate material M of the feed stage 6 rises by a predetermined height from the build stage 1 through the height adjusting means 7, the roller 3 rotates with respect to the bearing 5 to rotate the feed stage ( 6) Push the particulate materials (M) therein to the build stage (1). The particulate materials (M) are laminated on the build stage (1) and the binder (B) is applied through the print head (2), and the build stage (1) is lowered by a predetermined height through the height adjusting means (7) to thereby produce fine particles. It may be configured to be additionally supplied with the material (M).

또한, 상기 가열수단은: 상기 롤러(3)의 내측에 수용되는 열선(8); 및 상기 롤러(3)에 구비되는 온도센서(9);를 포함하여, 상기 열선(8)에서 발생된 열로 상기 롤러(3)의 표면을 설정된 온도범위 내로 가열 및 온도유지하도록 구성될 수 있다.In addition, the heating means includes: a heating wire (8) accommodated inside the roller (3); and a temperature sensor 9 provided in the roller 3; may be configured to heat and maintain the temperature of the surface of the roller 3 within a set temperature range with the heat generated by the heating wire 8.

상기 롤러(3)의 내측에 수용되는 열선(8)은 온도센서(9)를 통해 롤러(3)를 설정된 온도범위 내로 가열 및 온도유지하도록 구성되며, 열선(8)에서 발생된 열에 의해 가열된 롤러(3)가 미립자 재료(M)를 피드 스테이지(6)에서 빌드 스테이지(1)로 밀어냄과 동시에 적층되어진 바인더(B)를 경화한다.The heating wire 8 accommodated inside the roller 3 is configured to heat and maintain the roller 3 within a set temperature range through the temperature sensor 9, and is heated by the heat generated by the heating wire 8. The roller 3 pushes the particulate material M from the feed stage 6 to the build stage 1 and simultaneously cures the laminated binder B.

종래의 IR 램프를 이용한 프린팅 방식은 롤러(3)를 이용하여 미립자 재료(M)를 피드 스테이지(6)에서 빌드 스테이지(1)로 이송시키고 프린트 헤드(2)를 통해 바인더(B)를 도포한 후 IR 램프가 소정의 시간동안 적층된 미립자 재료(M)와 바인더(B)를 열경화하였으나, 본 발명은 미립자 재료(M)를 피드 스테이지(6)에서 빌드 스테이지(1)로 이송시킴과 동시에 가열된 롤러(3)가 적층된 바인더(B)를 직접 가열하는 방식으로 열경화함으로써, 경화 작업시 빌드 스테이지의 습도를 별도로 조절할 필요가 없으며, 미립자 재료를 예열하지 않아도 빠른 시간에 출력물을 제조할 수 있다.In the conventional printing method using an IR lamp, the particulate material (M) is transferred from the feed stage (6) to the build stage (1) using a roller (3), and the binder (B) is applied through the print head (2). After the IR lamp thermosets the laminated particulate material (M) and the binder (B) for a predetermined time, the present invention transfers the particulate material (M) from the feed stage (6) to the build stage (1) and at the same time By thermal curing in such a way that the heated roller 3 directly heats the laminated binder (B), there is no need to separately control the humidity of the build stage during curing, and it is possible to quickly produce prints without preheating the particulate material. can

그리고, 상기 미립자 재료(M)는: 모래, 금속, 폴리머, 세라믹, 목재, 셀룰로오스, 락토스, 염류, 카본, 경질 재료, 글라스, 시멘트 및 석고를 포함하는 군에서 선택되되, 상기 프린트 헤드(2)로부터 바인더(B)가 도포되기 전에는 상기 바인더(B) 이외의 물질에 의한 코팅 처리를 하지 않도록 구성될 수 있다.And, the particulate material (M) is selected from the group comprising: sand, metal, polymer, ceramic, wood, cellulose, lactose, salt, carbon, hard material, glass, cement and gypsum, wherein the print head (2) Before the binder (B) is applied from the binder (B), it may be configured not to be coated with a material other than the binder (B).

종래의 적층형 3D 프린터에서는 미립자 재료(M)에 수용성 결합 작용제(경화제)등의 처리를 한 뒤 적층 단계에서 다시 바인더(B)를 도포하는 2액형 바인더(B)를 사용하고 있으나, 본 발명은 미립자 재료(M)에 별다른 처리를 할 필요 없이 적층 단계에서만 바인더(B)를 도포하는 1액형 바인더(B)를 사용할 수 있다. In the conventional multilayer 3D printer, a two-component binder (B) is used in which the particulate material (M) is treated with a water-soluble binding agent (curing agent), etc. and then the binder (B) is applied again in the lamination step. It is possible to use the one-component binder (B) in which the binder (B) is applied only in the lamination step without any special treatment on the material (M).

2액형 적층 방식에서는 롤러(3)를 통한 직접 가열 시 출력물(0) 부분 이외의 미립자 재료(M)가 경화되므로 미립자 재료(M)의 재사용이 불가능해지지만, 1액형 적층 방식에서는 미립자 재료(M)에 코팅 작업 등을 하지 않아도 되므로 출력물 이외의 미립자 재료(M)를 재사용할 수 있어 보다 경제적인 효과를 제공할 수 있게 된다.In the two-component lamination method, reuse of the particulate material (M) becomes impossible because the particulate material (M) other than the part of the output (0) is hardened upon direct heating through the roller (3), but in the one-component lamination method, the particulate material (M) ), it is possible to reuse the particulate material (M) other than the output, so that it is possible to provide a more economical effect.

아울러, 상기 바인더(B)는: 실리케이트(silicate) 26~41wt%, 첨가제 3~5wt%, 및 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent) 54~71wt%을 포함하는 무기 바인더로 구성될 수 있다.In addition, the binder (B): 26 to 41 wt% of silicate, 3 to 5 wt% of an additive, and 54 to 71 wt% of a solvent containing a humectant It may be composed of an inorganic binder. .

또한, 1) 피드 스테이지(6)에 미립자 재료(M)를 저장하는 단계; 2) 상기 피드 스테이지(6)로부터 빌드 스테이지(1)로 미립자 재료(M)를 이송시키며, 동시에 평탄화시키는 단계; 3) 상기 빌드 스테이지에서 평탄화된 미립자 재료(M)에, 출력물(O)의 형상에 따라 바인더(B)를 도포하는 단계; 4) 상기 바인더(B)가 도포된 미립자 재료(M)를 다시 평탄화하며, 동시에 경화시키는 단계; 상기 2) 내지 4) 단계를 반복하여 미립자 재료(M)를 적층함으로써, 3차원 형상의 출력물(O)을 프린팅하는, 바인더젯 3D 프린팅 방법을 제공한다.Also, 1) storing the particulate material (M) in the feed stage (6); 2) conveying the particulate material (M) from the feed stage (6) to the build stage (1) and flattening at the same time; 3) applying a binder (B) to the flattened particulate material (M) in the build stage according to the shape of the output (O); 4) flattening the particulate material (M) to which the binder (B) is applied again and curing the same; By repeating steps 2) to 4) to stack the particulate material (M), there is provided a binder jet 3D printing method for printing an output (O) of a three-dimensional shape.

보다 구체적으로는, 피드 스테이지(6)를 높이조절수단(7)으로 소정의 높이만큼 높여 피드 스테이지(6)의 미립자 재료(M) 표면 높이가 빌드 스테이지(1)의 미립자 재료(M) 표면의 높이보다 소정의 높이만큼 높게 만드는 단계; 롤러(3)를 피드 스테이지(6)의 일측(또는 일단)으로부터 빌드 스테이지(1)의 일측(또는 타단)으로 이송시키며, 롤러(3)에 의해 미립자 재료(M)를 빌드 스테이지(1)로 밀어내어 공급하는 단계; 빌드 스테이지(1)에 추가로 적층된 미립자 재료(M)에 프린트 헤드(2)를 통해 바인더(B)를 도포하는 단계; 상기 롤러(3)를 빌드 스테이지(1)의 일측(또는 타단)으로부터 피드 스테이지(6)의 일측(또는 일단)으로 이송시키며, 가열된 롤러(3)를 통해 미립자 재료(M) 및 바인더(B)를 직접 가열하여 경화시키는 단계; 및 빌드 스테이지(1)의 높이를 소정의 높이만큼 낮추어, 미립자 재료(M)를 추가로 공급받아 새로운 미립자 재료(M) 층을 적층하도록 준비하는 단계;가 반복 수행될 수 있다.More specifically, the feed stage 6 is raised by a predetermined height by the height adjusting means 7 so that the surface height of the particulate material M of the feed stage 6 is equal to that of the surface of the particulate material M of the build stage 1 . making it higher than the height by a predetermined height; The roller 3 is transferred from one side (or one end) of the feed stage 6 to one side (or the other end) of the build stage 1 , and the particulate material M is transferred to the build stage 1 by the roller 3 . pushing and feeding; applying a binder (B) through the print head (2) to the particulate material (M) further laminated on the build stage (1); The roller 3 is transferred from one side (or the other end) of the build stage 1 to one side (or one end) of the feed stage 6, and the particulate material M and the binder B through the heated roller 3 ) by direct heating to harden; and lowering the height of the build stage 1 by a predetermined height to additionally receive the particulate material M to prepare to stack a new particulate material M layer; may be repeatedly performed.

그리고, 전술한 바와 같은 바인더젯 3D 프린팅 장치 및 바인더젯 3D 프린팅 방법 중 어느 하나에 의해 출력된, 3D 프린터 출력물(0)을 제공한다.And, it provides a 3D printer output 0, which is output by any one of the binderjet 3D printing apparatus and the binderjet 3D printing method as described above.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 바인더젯 3D 프린팅 장치에 사용될 수 있는 바인더(B)의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the binder (B) that can be used in the binder jet 3D printing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 측면에 따르면, 실리케이트(silicate) 26~41wt%, 첨가제 3~5wt%, 및 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent) 54~71wt%을 포함하는 3D 프린팅용 무기 바인더(B)를 제공한다. 원료재(실리케이트, 첨가제)와 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent)의 비율을 제어하여 5MPa 이상의 강도를 가지는 3DP 주형을 제작할 수 있다.According to an aspect of the present invention, an inorganic binder for 3D printing (B) comprising 26 to 41 wt% of silicate, 3 to 5 wt% of an additive, and 54 to 71 wt% of a solvent containing a humectant provides A 3DP mold having a strength of 5 MPa or more can be manufactured by controlling the ratio of a solvent including a raw material (silicate, additive) and a humectant.

실리케이트는 소듐 실리케이트(sodium silicate), 칼슘 실리케이트(calcium silicate), 리튬 실리케이트(lithium silicate), 포타슘 실리케이트(potassium silicate), 실리케이트 졸(silicate sol), 포타슘 금속 실리케이트(potassium metal silicate), 비정질 실리케이트(amorphous silicate), 콜로이달 실리카(colloidal silicate)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.Silicates include sodium silicate, calcium silicate, lithium silicate, potassium silicate, silicate sol, potassium metal silicate, and amorphous silicate. silicate), and may be at least one selected from the group consisting of colloidal silicate.

실리케이트의 함량이 26wt% 미만인 경우 고형분의 함량이 작아 제작된 3DP 주형이 충분한 강도를 가지지 못하기에 바람직하지 못하고, 41wt% 초과인 경우 바인더(B) 자체의 점도가 증가하고 토출 안정성을 확보가 불가능하여 바람직하지 못하다.When the content of silicate is less than 26 wt%, it is not preferable because the 3DP mold produced does not have sufficient strength because the content of solid content is small, and when it exceeds 41 wt%, the viscosity of the binder (B) itself increases and it is impossible to secure discharge stability so it is not advisable

첨가제는 수산화나트륨(sodium hydroxide), 염화나트륨(sodium chloride), 염화칼륨(potassium chloride), 탄산나트륨(sodium carbonate), 탄산칼륨(potassium carbonate), 수산화칼륨(potassium hydroxide), 인산염(phosphate), 소듐 피로포스페이트(sodium pyrophosphate), 수산화칼슘(calcium hydroxide), 바륨 설페이트(barium sulfate), 비정질 인산염(amorphous phosphate), 아미노 당류, 탄산 마그네슘(magnesium carbonate)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. NaOH, NaCl, Na2Co3, KOH는 경화 후 주형의 초기 강도를 보강하고, 인산염은 경화 후 제품의 최종 강도를 보강하는 역할을 한다. 바람직하게는 sodium hexametaphosphate와 같은 인산 계열을 첨가할 수 있다.Additives include sodium hydroxide, sodium chloride, potassium chloride, sodium carbonate, potassium carbonate, potassium hydroxide, phosphate, sodium pyrophosphate ( It may be one or more selected from the group consisting of sodium pyrophosphate), calcium hydroxide, barium sulfate, amorphous phosphate, aminosaccharides, and magnesium carbonate. NaOH, NaCl, Na 2 Co 3 , and KOH reinforce the initial strength of the mold after curing, and phosphate reinforces the final strength of the product after curing. Preferably, a phosphoric acid series such as sodium hexametaphosphate may be added.

첨가제의 함량이 3wt% 미만인 경우 바인더(B) 내에서 강도보강 역할을 수행하지 못하고, 5wt% 초과인 경우 바인더(B)의 저장 안정성이 확보되지 못하기에 바람직하지 못하다.If the content of the additive is less than 3wt%, it is not preferable because it does not play a role of reinforcing strength in the binder (B), and if it exceeds 5wt%, the storage stability of the binder (B) cannot be secured.

습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent)은 Ethylene Glycol, Glycerol, Glycerin, Diethylene Glycol, 1,2-Hexanediol, 1,3-Pentanediol, 1,4-Butanediol, 1,5-Pentandiol, water로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent)은 완전히 냉각된 바인더(B)와 혼합하여 3DP용으로 이용할 수 있다.A solution containing a humectant is Ethylene Glycol, Glycerol, Glycerin, Diethylene Glycol, 1,2-Hexanediol, 1,3-Pentanediol, 1,4-Butanediol, 1,5-Pentandiol, a group consisting of water It may be one or more selected from. A solvent containing a humectant may be mixed with the completely cooled binder (B) and used for 3DP.

습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent)의 함량이 54wt% 미만인 경우 바인더(B)의 점도가 높아 토출 안정성이 확보되지 못하고, 71wt% 초과인 경우 표면장력이 높아져 토출이 불가능하고, 바인더(B)의 고형분 함량이 낮아져 충분한 강도를 발현하지 못한다. When the content of the solvent containing the humectant is less than 54wt%, the viscosity of the binder (B) is high, so discharge stability cannot be secured. ) does not express sufficient strength due to low solid content.

본 발명에 따른 무기 바인더(B)의 점도는 3.7cps 미만, 표면장력은 40mN/m 미만인 것이 바람직하다. 점도와 표면장력을 제어하여 바인더(B)의 토출 안정성을 확보할 수 있다. It is preferable that the viscosity of the inorganic binder (B) according to the present invention is less than 3.7 cps, and the surface tension is less than 40 mN/m. By controlling the viscosity and surface tension, it is possible to secure the discharge stability of the binder (B).

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 첨가제가 용해된 용액을 준비하는 제1단계; 상기 용액에 실리케이트를 첨가하여 혼합물을 준비하는 제2단계; 상기 혼합물을 50~100℃에서 30분~2시간 교반하는 제3단계; 상기 교반된 혼합물을 냉각하고, 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent)과 혼합하는 제4단계;를 포함하는, 3D 프린팅용 무기 바인더(B) 제조방법을 제공한다. 이에 따라 제조되는 무기 바인더(B)는 실리케이트(silicate) 26~41wt%, 첨가제 3~5wt%, 및 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent) 54~71wt%로 구성됨을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, the first step of preparing a solution in which the additive is dissolved; a second step of preparing a mixture by adding silicate to the solution; a third step of stirring the mixture at 50-100° C. for 30 minutes to 2 hours; A fourth step of cooling the stirred mixture and mixing it with a solvent containing a humectant; provides a method for manufacturing an inorganic binder (B) for 3D printing, including. The inorganic binder (B) prepared accordingly is characterized in that it is composed of 26 to 41 wt% of silicate, 3 to 5 wt% of additives, and 54 to 71 wt% of a solvent containing a humectant.

먼저 실리케이트와 별도로 첨가제를 DI water에 용해시킨다. 이후 알칼리 실리케이트와 첨가제가 용해된 용액을 혼합하여 50~100℃에서 30분~2시간 교반한다. 교반 온도 및 시간은 조성물의 조성비에 따라 제어할 수 있고, 이 후 용액이 투명해지면 온도를 낮추어 계속 교반한다. 교반된 혼합물을 완전히 냉각시키고, 이후 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent)과 혼합하여 바인더(B)를 제조할 수 있다.First, the additive is dissolved in DI water separately from the silicate. Then, the alkali silicate and the additive solution are mixed and stirred at 50 to 100° C. for 30 minutes to 2 hours. The stirring temperature and time can be controlled according to the composition ratio of the composition, and then, when the solution becomes transparent, the temperature is lowered and stirring is continued. After the stirred mixture is completely cooled, the binder (B) may be prepared by mixing it with a solvent containing a humectant.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. On the other hand, the illustration and detailed description of the configuration and the action and effect thereof, which can be easily known from those of ordinary skill in the art, will be simplified or omitted, and the parts related to the present invention will be described in detail.

바인더 합성binder synthesis

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린팅용 무기 바인더(B) 제조방법을 나타낸 모식도이다. 도 1을 참고하면, 알칼리 실리케이트와 별도로 첨가제를 DI water에 용해시킨다. 이후 알칼리 실리케이트와 첨가제가 용해된 용액을 혼합하여 70℃에서 1시간 교반하였다. 용액이 투명해지면 온도를 낮추어 계속 교반하였다. 완전히 냉각된 용액를 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent)과 믹싱하여 바인더(B)를 제조하였다.1 is a schematic diagram showing a method for manufacturing an inorganic binder (B) for 3D printing according to the present invention. Referring to FIG. 1 , the additive is dissolved in DI water separately from the alkali silicate. Then, the alkali silicate and the additive solution were mixed and stirred at 70° C. for 1 hour. When the solution became clear, the temperature was lowered and stirring was continued. A binder (B) was prepared by mixing the completely cooled solution with a solvent containing a humectant.

토출 결과Discharge result

실리케이트, 첨가제, 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent)의 함량을 제어하여 하기 표 1(실시예 1, 2, 비교예 1, 2)과 같은 3DP 바인더(B) 조성물을 준비하여 토출하였다. 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 바인더(B)를 이용하여 토출한 결과, 도 3은 실시예 2에 따른 결과, 도 4는 비교예 1에 따른 결과, 및 도 5는 비교예 2에 따른 결과 사진이다.A 3DP binder (B) composition as shown in Table 1 (Examples 1 and 2, Comparative Examples 1 and 2) below was prepared and discharged by controlling the content of a solution containing silicate, an additive, and a humectant. 2 is a result of discharging using the binder (B) according to Example 1 of the present invention, FIG. 3 is a result according to Example 2, FIG. 4 is a result according to Comparative Example 1, and FIG. 5 is a result according to Comparative Example 2 This is the result picture.

alkali silicate
(wt%)
alkali silicate
(wt%)
첨가제
(wt%)
additive
(wt%)
습윤제를
포함한 용액
(wt%)
humectant
solution containing
(wt%)
토출 결과Discharge result
실시예 1Example 1 4141 55 5454 가능possible 실시예 2Example 2 2626 33 7171 가능possible 비교예 1Comparative Example 1 2424 22 7373 불가impossible 비교예 2Comparative Example 2 4545 88 4747 불가impossible

토출 안정성Discharge stability

토출 안정성을 확인하기 위하여, 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent)과 원료의 함량을 조절하였다. 하기 표 2는 각 조성비에 따른 점도 및 표면장력을 나타낸 것이다.In order to check the discharge stability, the contents of the solvent and the raw material containing the humectant were adjusted. Table 2 below shows the viscosity and surface tension according to each composition ratio.

alkali silicate
(wt%)
alkali silicate
(wt%)
첨가제
(wt%)
additive
(wt%)
습윤제를
포함한 용액
(wt%)
humectant
solution containing
(wt%)
점도
(20℃,cps)
viscosity
(20℃,cps)
표면장력
(20℃,mN/m)
surface tension
(20℃,mN/m)
실시예 3Example 3 3131 44 6565 3.843.84 45.945.9 실시예 4Example 4 4141 55 5454 4.424.42 31.131.1 실시예 5Example 5 2626 33 7171 2.852.85 45.445.4 실시예 6Example 6 2727 44 6969 3.663.66 34.734.7

도 6은 각각 실시예 3 내지 6의 토출 결과를 나타낸 사진이다. (a) 내지 (d)이 각각 실시예 3 내지 6의 토출 결과이다. 도 6 및 표 2를 참고하면, 실시예 3 내지 5의 경우 헤드막힘 현상이 일어난 반면 실시예 6의 경우 토출 안정성이 확보됨을 확인할 수 있었다. 이를 통해 점도 3.7cps 미만(20℃), 표면장력 40mN/m(20℃) 미만의 조건을 유지함이 보다 바람직함을 확인하였다.6 is a photograph showing the discharge results of Examples 3 to 6, respectively. (a) to (d) are the discharge results of Examples 3 to 6, respectively. Referring to FIG. 6 and Table 2, it was confirmed that in Examples 3 to 5, head clogging occurred, whereas in Example 6, discharge stability was ensured. Through this, it was confirmed that it is more preferable to maintain the conditions of a viscosity of less than 3.7 cps (20° C.) and a surface tension of less than 40 mN/m (20° C.).

주형의 강도strength of the mold

본 발명에 따른 바인더(B)를 이용하여 주형을 제작하고 그 강도를 측정하였다. 하기 표 3은 각 조성비에 따라 제조된 바인더(B)를 이용한 주형의 강도를 나타낸 것이다.A mold was manufactured using the binder (B) according to the present invention, and the strength thereof was measured. Table 3 below shows the strength of the mold using the binder (B) prepared according to each composition ratio.

alkali silicate
(wt%)
alkali silicate
(wt%)
첨가제
(wt%)
additive
(wt%)
습윤제를
포함한 용액
(wt%)
humectant
solution containing
(wt%)
점도
(20℃,cps)
viscosity
(20℃,cps)
표면장력
(20℃,mN/m)
surface tension
(20℃,mN/m)
강도
(MPa)
burglar
(MPa)
주형 1mold 1 2727 44 6969 2.822.82 36.436.4 55 주형 2mold 2 3131 55 6363 3.473.47 33.333.3 33

표 3을 참고하면, 5Mpa 이상의 강도를 확보하기 위하여, 원료재 대비 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent)의 비율을 54~71wt%로 제어하여 강도를 확보함이 바람직함을 확인하였다.Referring to Table 3, in order to secure the strength of 5 Mpa or more, it was confirmed that it is preferable to secure the strength by controlling the ratio of the solvent containing the humectant to the raw material to 54 to 71 wt%.

M : 미립자 재료(Powdered Raw Material)
O : 출력물(Output)
B : 바인더(Binder)
1 : 빌드 스테이지(Build Stage)
2 : 프린트 헤드(Inkjet Print Head)
3 : 롤러
4 : 샤프트
5 : 베어링
6 : 피드 스테이지(Feed Stage)
7 : 높이조절수단
8 : 열선
9 : 온도센서
M: Powdered Raw Material
O: Output
B : Binder
1: Build Stage
2: Inkjet Print Head
3: roller
4: shaft
5: Bearing
6: Feed Stage
7: height adjustment means
8: hot wire
9: temperature sensor

Claims (9)

미립자 재료가 적층되는 공간을 제공하는 빌드 스테이지;
상기 빌드 스테이지의 상부에서, 적층된 상기 미립자 재료에 바인더를 도포하는 프린트 헤드; 및
상기 빌드 스테이지에 적층된 미립자 재료를 평탄화하는 평탄화수단;을 포함하되,
상기 평탄화수단은:
소정의 직경을 가지는 원통형으로 구성되는 롤러; 및
상기 롤러를 가열시키는 가열수단;이 구비되고,
상기 미립자 재료는:
모래, 금속, 폴리머, 세라믹, 목재, 셀룰로오스, 락토스, 염류, 카본, 경질 재료, 글라스, 시멘트 및 석고를 포함하는 군에서 선택되되,
상기 프린트 헤드로부터 바인더가 도포되기 전에는 상기 바인더 이외의 물질에 의한 코팅 처리를 하지 않는 1액형 바인더를 도포하고,
상기 바인더는:
실리케이트(silicate) 26~41wt%, 첨가제 3~5wt%, 및 습윤제(humectant)를 포함하는 용액(solvent) 54~71wt%을 포함하되,
점도가 3.7cps 미만이고, 표면장력이 40mN/m 미만이 되도록 조절하고,
상기 평탄화수단을 통해, 미립자 재료를 적층 및 평탄화함과 동시에 미립자 재료에 도포된 바인더를 경화시키는, 바인더젯 3D 프린팅 장치
a build stage providing a space in which the particulate material is deposited;
a print head on the top of the build stage for applying a binder to the laminated particulate material; and
a planarizing means for planarizing the particulate material stacked on the build stage;
The planarization means includes:
a roller configured in a cylindrical shape having a predetermined diameter; and
A heating means for heating the roller is provided;
The particulate material comprises:
It is selected from the group comprising sand, metal, polymer, ceramic, wood, cellulose, lactose, salt, carbon, hard material, glass, cement and gypsum,
Before the binder is applied from the print head, a one-component binder that is not coated with a material other than the binder is applied,
The binder is:
26-41 wt% of silicate, 3-5 wt% of an additive, and 54-71 wt% of a solvent comprising a humectant,
The viscosity is less than 3.7 cps, and the surface tension is adjusted to be less than 40 mN/m,
A binder jet 3D printing apparatus for laminating and planarizing the particulate material and curing the binder applied to the particulate material through the planarization means
청구항 1항에 있어서,
상기 평탄화수단은:
상기 롤러의 양측으로 각각 신장되어 구비되는 샤프트;
상기 샤프트와 연결되어, 샤프트를 축방향에 수직한 방향에 대해 고정하는 베어링; 및
상기 베어링과 연결되어, 상기 롤러를 적층된 미립자 재료에 대해 수평한 방향으로 이송시키는 이송수단;를 포함하고,
상기 롤러가 상기 적층된 미립자 재료를 가압하며 이송시킴으로써 미립자 재료를 평탄화시키는, 바인더젯 3D 프린팅 장치
The method according to claim 1,
The planarization means includes:
Shafts each extending to both sides of the roller;
a bearing connected to the shaft and fixing the shaft in a direction perpendicular to the axial direction; and
a conveying means connected to the bearing and conveying the roller in a horizontal direction with respect to the laminated particulate material; and
The binder jet 3D printing apparatus, wherein the roller flattens the particulate material by pressing and conveying the laminated particulate material
청구항 2항에 있어서,
상기 빌드 스테이지로부터 소정의 거리 내에 구비되어, 빌드 스테이지에 공급할 미립자 재료를 저장하는 피드 스테이지;를 포함하여,
상기 롤러를 이송시킴으로써 피드 스테이지의 미립자 재료 일부를 빌드 스테이지로 공급하는, 바인더젯 3D 프린팅 장치
3. The method of claim 2,
A feed stage provided within a predetermined distance from the build stage to store the particulate material to be supplied to the build stage; including,
A binderjet 3D printing apparatus that supplies a part of the particulate material of the feed stage to the build stage by transferring the roller
청구항 3항에 있어서,
상기 빌드 스테이지 및 피드 스테이지에는 각각 구비되는 높이조절수단;을 포함하여,
상기 피드 스테이지로부터 빌드 스테이지로 미립자 재료를 공급하기 전에, 상기 피드 스테이지의 미립자 재료 표면이 빌드 스테이지의 미립자 재료 표면보다 높은 위치가 되도록 피드 스테이지의 높이를 조절하고,
상기 프린트 헤드에서 바인더를 도포하기 전에, 상기 빌드 스테이지의 미립자 재료 표면으로부터 상기 프린트 헤드 사이의 거리가 소정의 범위 내에서 유지되도록 빌드 스테이지의 높이를 조절하는, 바인더젯 3D 프린팅 장치
4. The method of claim 3,
Including; height adjustment means respectively provided on the build stage and the feed stage
Before feeding the particulate material from the feed stage to the build stage, adjusting the height of the feed stage so that the particulate material surface of the feed stage is higher than the particulate material surface of the build stage;
Before applying the binder in the print head, the binderjet 3D printing apparatus for adjusting the height of the build stage so that the distance between the print head from the particulate material surface of the build stage is maintained within a predetermined range,
청구항 2항에 있어서,
상기 가열수단은:
상기 롤러의 내측에 수용되는 열선; 및
상기 롤러에 구비되는 온도센서;를 포함하여,
상기 열선에서 발생된 열로 상기 롤러의 표면을 설정된 온도범위 내로 가열 및 온도유지하는, 바인더젯 3D 프린팅 장치
3. The method of claim 2,
The heating means includes:
a heating wire accommodated inside the roller; and
Including; a temperature sensor provided on the roller
A binderjet 3D printing apparatus that heats and maintains the temperature of the surface of the roller within a set temperature range with the heat generated by the heating wire
삭제delete 삭제delete 청구항 1항에 따른 바인더젯 3D 프린팅 장치를 이용한 프린팅 방법으로서,
1) 피드 스테이지에 미립자 재료를 저장하는 단계;
2) 상기 피드 스테이지로부터 빌드 스테이지로 미립자 재료를 이송시키며, 동시에 평탄화시키는 단계;
3) 상기 빌드 스테이지에서 평탄화된 미립자 재료에, 출력물의 형상에 따라 바인더를 도포하는 단계;
4) 상기 바인더가 도포된 미립자 재료를 다시 평탄화하며, 동시에 경화시키는 단계;
상기 2) 내지 4) 단계를 반복하여 미립자 재료를 적층함으로써, 3차원 형상의 출력물을 프린팅하는, 바인더젯 3D 프린팅 방법
As a printing method using the binder jet 3D printing apparatus according to claim 1,
1) storing particulate material in a feed stage;
2) conveying the particulate material from the feed stage to the build stage and simultaneously planarizing;
3) applying a binder to the flattened particulate material in the build stage according to the shape of the output;
4) flattening the particulate material to which the binder is applied again, and simultaneously curing;
A binderjet 3D printing method for printing a three-dimensional shape output by repeating steps 2) to 4) to stack a particulate material
청구항 1항 내지 5항 중 어느 한 항의 바인더젯 3D 프린팅 장치 및 청구항 8항의 바인더젯 3D 프린팅 방법 중 어느 하나에 의해 출력된, 3D 프린터 출력물
Claims 1 to 5, 3D printer output output by any one of the binder jet 3D printing apparatus of any one of claims 1 to 5 and the binder jet 3D printing method of claim 8
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