KR102458318B1 - 중합체 접합제 연마 물품 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니
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Abstract

분말 층 분사를 사용하여 중합체 접합제 연마 물품 및 그 전구체를 제조하는 방법이 개시된다. 본 방법에 의해 제조된 중합체 접합제 연마 물품은 아치형(arcuate) 또는 사행형(tortuous) 냉각 채널을 갖는 연마 물품, 단일 구조화된 연마 디스크, 연마 세그먼트, 형상화된 연마 입자 및 연마 휠을 포함한다.

Description

중합체 접합제 연마 물품 및 그의 제조 방법
본 발명은 중합체 접합된 연마 물품 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
연마 물품(예컨대, 연마 휠, 연마 세그먼트 및 숫돌)은 액체 비히클(예컨대, 페놀 수지, 폴리비닐 알코올, 우레아-포름알데히드 수지 또는 덱스트린의 수용액) 내의 연마 입자(예컨대, 다이아몬드, 입방정계 질화붕소, 알루미나 또는 SiC), 유리질 접합제 전구체(예컨대, 유리 프릿, 세라믹 전구체), 선택적인 기공 유도제(예컨대, 유리 버블, 나프탈렌, 분쇄된 코코넛 또는 호두 껍질 또는 아크릴 유리 또는 PMMA) 및 일시적 유기 결합제의 블렌드를 압축함으로써 제조될 수 있다. 이어서, 블렌딩된 혼합물을 경질화된 강 주형 내에 두고, 이어서 유리질 접합제 전구체가 유리질 접합제 매트릭스로 전환될 때까지 가열한다.
이러한 제조 접근법에는 많은 단점들이 있다: 각각의 연마 물품 형상마다 특수 주형이 요구되고; 주형은 전형적으로 비싸고 제조하는 데 긴 소요 시간(lead time)을 가지고; 임의의 설계 변경은 새로운 주형의 제조를 요구하고; 성형될 수 있는 형상에 제한이 있으며, 언더컷 또는 냉각 채널과 같은 내부 구조가 있는 복잡한 형상은 일반적으로 가능하지 않고; 주형은 마모되고, 주형당 제조될 수 있는 유닛들의 제한된 수를 가지며; 주형에 연마 혼합물이 충전되는 동안, 불균질한 연마 성분 및 밀도 변화를 유발하는 성분들의 분리가 발생할 수 있고, 이는 쉽게 볼 수 있다. 더욱이, 공정이 수작업이며 노동 집약적이다.
일 태양에서, 본 발명은 중합체 접합된 연마 물품, 예컨대 회전식 폴리싱 공구, 마무리용 휠 및 구성요소, 연마 세그먼트, 숫돌 등뿐만 아니라 이들을 제조하는 방법에 관한 것이다. 중합체 접합된 연마 물품은, 예를 들어 내부 유동 채널, 또는 표면 상의 복잡한 제거 채널과 같은 형상을 포함한다.
중합체 접합된 연마 물품은 결합제 분사 3차원(3D) 프린터에 의해 직접 제조되어, 주형을 생성할 필요성을 피할 수 있다. 이러한 방법에서, 중합체 전구체 입자 및 연마 입자를 포함하는 분말화 입자의 얇은 층은 잉크젯 인쇄 헤드에 의해 분배되는 분사된 결합제에 의해 원하는 위치에서 일시적으로 접합된다. 이어서, 인쇄된 분말 층은 적어도 부분적으로 건조되고 하강되어 다음 분말 층이 스프레딩될(spread) 수 있다. 분말 스프레딩, 일시적 접합 및 건조 공정을 반복하여 미가공 연마 물품 예비성형품(green abrasive article preform)을 생성할 수 있으며, 이는 이어서 프린터로부터 제거되고, 결합되지 않고 남아 있는 주변의 분말로부터 빼낸다. 연마 물품 예비성형품은 이어서 추가로 가공되어 중합체 전구체 입자를 연마 입자를 보유하는 중합체 매트릭스로 전환시키고, 중합체 접합된 연마 물품을 형성한다.
일 실시 형태에서, 본 발명은 중합체 매트릭스 안에 보유된 연마 입자를 그 안에 갖는 중합체 접합제 재료를 포함하는 중합체 접합제 연마 물품에 관한 것으로, 중합체 접합제 연마 물품은 이 연마 물품을 통해 적어도 부분적으로 연장되는 사행형(tortuous) 냉각 채널 및 아치형(arcuate) 냉각 채널 중 적어도 하나를 갖는다.
다른 실시 형태에서, 본 발명은 중합체 매트릭스 내에 접합된 연마 입자를 포함하는 중합체 접합제 연마 물품 전구체에 관한 것으로, 중합체 접합제 연마 물품 전구체는 중합체 접합제 연마 물품 전구체를 통해 적어도 부분적으로 연장되는 적어도 하나의 사행형 냉각 채널; 또는 중합체 접합제 연마 물품 전구체를 통해 적어도 부분적으로 연장되는 적어도 하나의 아치형 냉각 채널 중 적어도 하나를 추가로 포함한다.
다른 실시 형태에서, 본 발명은 연마 물품의 제조 방법에 관한 것으로, 이 방법은
a)
i) 한정된 영역에 성긴(loose) 분말 입자의 층을 침착시키는 단계로서, 상기 성긴 분말 입자는 중합체 접합제 전구체 입자 및 연마 입자를 포함하고, 상기 성긴 분말 입자의 층은 실질적으로 균일한 두께를 갖는, 단계;
ii) 상기 성긴 분말 입자의 층의 사전결정된 영역에 액체 결합제 전구체 재료를 적용하는 단계; 및
iii) 상기 액체 결합제 전구체 재료를 일시적 결합제 재료로 전환하는 단계로서, 상기 일시적 결합제 재료는 상기 사전결정된 영역 중의 상기 중합체 접합제 전구체 입자 및 상기 연마 입자의 적어도 일부에 접합되어 접합된 분말 입자의 층을 형성하는, 단계
를 포함하는 하위 공정(subprocess);
b) 독립적으로, 단계 a)를 여러 번 수행하여, 상기 접합된 분말 입자 및 남아있는 성긴 분말 입자를 포함하는 연마 물품 예비성형품(preform)을 생성하는 단계로서, 각각의 단계 a)에서 상기 성긴 분말 입자는 독립적으로 선택되고 상기 액체 결합제 전구체 재료는 독립적으로 선택되는, 단계; 및
c) 상기 연마 물품 예비성형품 중의 상기 중합체 접합제 전구체 입자를 중합체 접합제 입자로 전환하는 단계로서, 상기 중합체 접합제 입자는 연마 입자를 보유하여 중합체 접합제 연마 물품을 형성하는, 단계
를 포함한다.
본 발명의 특징 및 이점이 상세한 설명뿐만 아니라 첨부된 청구범위를 고려할 때 추가로 이해될 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 중합체 접합제 연마 물품의 제조 방법의 일 실시 형태의 개략적인 공정 흐름도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있는 예시적인 중합체 접합제 연마 휠의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있는 예시적인 중합체 접합제 연마 휠의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있는 예시적인 중합체 접합제 연마 세그먼트의 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있는 중합체 접합제 연마 휠의 개략적인 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있는 단일 구조화된 연마 디스크의 개략적인 사시도이다.
도 6b는 도 6a의 단일 구조화된 연마 디스크의 개략적인 평면도이다.
도 7a는 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있는 단일 구조화된 연마 디스크(700)의 개략적인 사시도이다.
도 7b는 도 7a의 단일 구조화된 연마 디스크의 개략적인 평면도이다.
도 8은 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있는 회전식 연마 공구(800)의 개략적인 사시도이다.
도 9는 실시예 1 및 실시예 2에 대한 분말제거(depowdering) 후의 3D 인쇄된 부품의 사진이다.
도 10은 오븐에서의 경화 전의, 실시예 1에 대한 강 맨드릴(mandrel) 상에 배치된 3D 인쇄된 부품의 사진이다.
도 11은 오븐에서의 경화 후의, 실시예 1 및 실시예 2의 3D 인쇄된 부품의 사진이다.
도 12는 분말제거 후의 실시예 3의 3D 인쇄된 부품의 사진이다.
도 13은 분말제거 후의 실시예 4의 3D 인쇄된 부품의 사진이다.
도 14는 경화(굳음) 후의 실시예 4의 3D 인쇄된 부품의 사진이다.
도 15는 강 맨드릴 상에서 실시예 1의 3D 인쇄된 부품으로 폴리싱된 표면의 광택 측정치를 요약한 플롯(plot)이다.
본 명세서 및 도면에서의 도면 부호의 반복된 사용은 본 발명의 동일한 또는 유사한 특징부 또는 요소를 나타내도록 의도된다. 수많은 다른 변형 형태 및 실시 형태가 당업자에 의해 안출될 수 있으며, 이는 본 발명의 원리의 범주 및 사상 내에 속한다. 도면은 일정한 축척으로 작성되지 않을 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 중합체 접합제 연마 물품을 제조하는 데 사용될 수 있는 예시적인 분말 층 분사 공정(100)을 개략적으로 도시한다. 도 1a는 미립자 재료를 동일한 영역 상에 반복적으로 침착시킴으로써, 형상화된 연마 물품 예비성형품의 3차원(3D) 모델을 한 번에 한 층씩 적층 구축하는 데 사용될 수 있는 3D 인쇄 장치(102)의 개략적인 비제한적 예를 도시한다. 3D 프린터(102)는 3D 컴퓨터 이용 설계(CAD) 도면을 복수의 2차원 단면 층으로 변환시킴으로써 연마 물품 예비성형품을 생성한다. 3D 프린터(102)는 연마 입자 및 중합체 전구체 입자를 포함하는 미립자의 혼합물의 연속적인 층들을 침착시키고, 이어서 이들을 후속 단계에서 함께 접합시켜 본 명세서에서 연마 물품 예비성형품으로서 지칭되는 미가공 물품을 형성할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 3D 인쇄 장치(102)는 방향 A로 이동될 수 있는 피스톤-구동식 공급 플랫폼 램(ram)(122a)을 갖는 제1 챔버(120a)를 포함한다. 램(122a)은 미립자의 혼합물(110)을 지지하는데, 이는 일부 실시 형태에서 연마 입자를 포함한다. 분말 스프레딩 롤러(130)는 미립자 혼합물(110)의 표면(131) 위에서 방향 B로 이동하여, 미립자 혼합물(110) 내의 입자를 분말 재료 공급 플랫폼 램(122a) 및 챔버(120a)로부터 제2 챔버(120b)로 실질적으로 균일하게 옮겨 놓는다.
3D 인쇄 장치(102)는 방향 A를 따라 이동하는 피스톤-구동식 구축 플랫폼 램(122b)을 갖는 제2 챔버(120b)를 추가로 포함한다. 또한 도 1b를 참조하면, 램(122b) 위의 한정된 입자 혼합물 침착 영역(140)은 연마 입자 및 중합체 전구체 입자를 포함하는 성긴 분말 입자의 혼합물의 침착된 층(138)을 수용하는데, 이는 혼합물(110) 내의 입자와 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138)은 실질적으로 균일한 두께를 갖는다. 예로서 제공되며 제한하고자 하는 것이 아닌 일부 실시 형태에서, 층의 두께는 약 100 마이크로미터 미만, 또는 약 50 마이크로미터 미만, 또는 약 30 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 미만으로 달라질 수 있다.
램(122b)은 입자 혼합물 침착 영역(140)이 임의의 원하는 두께를 갖도록 조절될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138)은, 후속적으로 층(138)에 적용되는 분사된 액체 결합제 전구체 재료(도 1c에 도시되고 이하에서 논의됨)가 액체 결합제 전구체 재료가 적용되는 선택된 영역 중의 모든 입자와 접촉할 수 있다면, 약 1 밀리미터 이하의 임의의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138)의 두께는 약 10 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 또는 약 10 마이크로미터 내지 약 250 마이크로미터, 또는 약 50 마이크로미터 내지 약 250 마이크로미터, 또는 약 100 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터이다.
성긴 분말 층(138) 내의 연마 입자는 연마 산업에서 사용되는 임의의 연마 입자를 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 연마 입자는 모스(Mohs) 경도가 4 이상, 또는 5 이상, 또는 6 이상, 또는 7 이상, 또는 8 이상, 또는 8.5 이상, 또는 9 이상이다. 소정의 실시 형태에서, 연마 입자는 초연마 입자를 포함하는데, 이는 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 탄화규소의 경도 이상의 경도를 갖는 임의의 연마 입자(예컨대, 탄화규소, 탄화붕소, 입방정계 질화붕소 및 다이아몬드)를 지칭한다.
적합한 연마 재료의 특정 예에는 산화알루미늄(예컨대, 알파 알루미나) 재료(예컨대, 융합된 열처리된 세라믹 및/또는 소결된 산화알루미늄 재료), 탄화규소, 이붕화티타늄, 질화티타늄, 탄화붕소, 탄화텅스텐, 탄화티타늄, 질화알루미늄, 다이아몬드, 입방정계 질화붕소(cBN), 석류석(garnet), 융합된 알루미나-지르코니아, 졸-겔 유도된 연마 입자, 산화세륨, 산화지르코늄, 산화티나늄 및 이들의 조합이 포함된다. 졸-겔 유도된 연마 입자의 예는 미국 특허 제4,314,827호(레이테이서(Leitheiser) 등), 미국 특허 제4,623,364호(코트링어(Cottringer) 등); 미국 특허 제4,744,802호(슈와벨(Schwabel)), 미국 특허 제4,770,671호(몬로(Monroe)등); 및 미국 특허 제4,881,951호(몬로 등)에서 발견될 수 있다. 중합체 접합제 매트릭스 내에 (예컨대, 미국 특허 제6,551,366호(디소우자(D'Souza) 등)에 기재된 바와 같은) 보다 미세한 연마 입자를 포함하는 응집체 연마 입자가 또한 사용될 수 있다.
높은 분해능(resolution)을 달성하기 위해, 일부 실시 형태에서 성긴 분말 층(138) 내의 입자는 400 마이크로미터 이하, 또는 250 마이크로미터 이하, 또는 200 마이크로미터 이하, 또는 150 마이크로미터 이하, 또는 100 마이크로미터 이하, 또는 80 마이크로미터 이하, 또는 심지어 10 마이크로미터 이하의 최대 크기를 갖도록 (예를 들어, 스크리닝에 의해) 크기가 정해질 수 있지만, 더 큰 크기도 또한 사용될 수 있다. 중합체 접합제 전구체 입자, 연마 입자 및 임의의 선택적인 추가의 미립자 성분을 포함하는, 성긴 분말 층(138) 내의 입자는 동일하거나 상이한 최대 입자 크기, D90, D50 및/또는 D10 입자 크기 분포 파라미터를 가질 수 있다.
제한하고자 하는 것이 아닌 일부 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138) 내의 연마 입자는 다이아몬드 입자, 입방정계 질화붕소 입자 또는 금속 산화물 입자 중 적어도 하나일 수 있으며, 밀도가 약 3.5 g/cc 내지 약 3.9 g/cc일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138) 내의 연마 입자는 밀도가 약 2.0 g/cc 내지 약 2.2 g/cc인 다이아몬드 응집체일 수 있다.
성긴 분말 층(138) 내의 입자는 중합체 전구체 입자를 추가로 포함한다. 일부 실시 형태에서, 중합체 전구체 입자는 적어도 부분적으로 연마 입자 주위에서 유동하도록 연화될 수 있는 열가소성 중합체 수지를 포함한다. 열가소성 수지는, 적어도 부분적으로 경질화될 때, 연마 입자를 강화하고 접착식으로 보유하여, 특정 응용에 원하는 형상을 갖는 중합체 접합된 연마 물품이 제조되게 한다. 적합한 열가소성 수지의 비제한적인 예에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 아크릴, 시아노아크릴레이트, 에폭시 및 이들의 조합이 포함된다. 열가소성 재료는 열 방사선 또는 화학 방사선, 예컨대 UV 방사선의 적용을 포함하는 임의의 적합한 기술에 의해 연화될 수 있다.
다른 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138) 내의 중합체 전구체 입자는, 예를 들어 페놀 수지(예를 들어, 노볼락 및/또는 레졸 페놀 수지), 아크릴 단량체(예를 들어, 폴리(메트)아크릴레이트, (메트)아크릴산, (메트)아크릴아미드 등, 여기서 (메트)는 아크릴 또는 메타크릴을 나타냄), 에폭시 수지, 시아네이트 수지, 아이소시아네이트 수지(폴리우레아 및 폴리우레탄 수지를 포함함), 알키드 수지, 우레아-포름알데히드 수지, 아미노플라스트 수지, 실리콘 및 이들의 조합과 같은 유기 열경화성 화합물을 포함한다. 이들 열경화성 화합물은, 적어도 부분적으로 경질화되거나 경화될 때, 공유 가교결합된 접합제 네트워크(network)를 형성하는데, 이는 연마 입자를 강화하고 접착식으로 보유하여 특정 응용에 원하는 형상을 갖는 중합체 접합된 연마 물품이 제조되게 한다. 열경화성 재료는 열 방사선 또는 화학 방사선, 예컨대 UV 방사선의 적용을 포함하는 임의의 적합한 기술에 의해 연화될 수 있다.
다양한 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138) 내의 미립자들의 혼합물은 약 1 중량% 내지 약 99 중량%, 또는 약 5 중량% 내지 약 95 중량%, 또는 약 7 중량% 내지 약 93 중량%, 또는 약 10 중량% 내지 약 90 중량%, 또는 약 20 중량% 내지 약 80 중량%의 중합체 전구체 입자를 포함한다. 다양한 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138)은 약 1 중량% 내지 약 99 중량%, 또는 약 5 중량% 내지 약 95 중량%, 또는 약 15 중량% 내지 약 85 중량%, 또는 약 20 중량% 내지 약 80 중량%, 또는 약 30 중량% 내지 약 70 중량%, 또는 약 40 중량% 내지 약 60 중량%의 연마 입자를 포함한다.
적합한 분말 층의 더 구체적인 예는 약 7 중량%의 연마 입자 내지 약 93 중량%의 중합체 전구체 입자, 또는 약 93 중량%의 연마 입자 내지 약 7 중량%의 중합체 전구체 입자, 또는 약 76 중량%의 연마 입자 내지 약 24 중량%의 중합체 전구체 입자를 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
일부 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138)은 결합제 전구체 입자를 추가로 포함할 수 있다. 결합제 전구체 입자는, 분말 층(138)의 사전결정된 영역(들)에서 액체 결합제 활성화 액체와 반응하거나 이에 노출될 때, 하기에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 상기 사전결정된 영역에 결합제를 형성하여 연마 입자 및 중합체 전구체 입자와 성긴 분말 층(138) 내의 연마 입자를 일시적으로 결합하여, 연마 물품 예비성형품을 형성할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 일부 또는 모든 성긴 분말 입자(138)는 결합제 전구체 재료로 코팅될 수 있는데, 이는 활성화 액체에 노출될 때 코팅된 입자들 상에서 활성화된다.
일부 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138) 내의 입자는, 예를 들어 기공 유도제, 윤활제, 충전제 입자, 가공 보조제, 및 이들의 혼합물 및 조합과 같은 다른 성분을 선택적으로 포함할 수 있다. 기공 유도제의 비제한적인 예에는 유리 버블 및 유기 입자가 포함된다. 적합한 윤활제에는 흑연, 황, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 이황화몰리브덴, 및 이들의 혼합물 및 조합이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 적합한 가공 보조제에는 유동제, 예컨대 건식 실리카, 나노실리카, 스테아레이트, 전분, 및 이들의 혼합 및 조합이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 첨가제는 중합체 접합제 연마 물품에서 사용되는 연마 입자에 악영향을 거의 또는 전혀 주지 않는다.
성긴 분말 층(138) 내의 입자는 그의 유동성 및 층 스프레딩의 균일성을 개선시키기 위해 선택적으로 개질될 수 있다. 분말을 개선시키는 방법은 응집, 분무 건조, 가스 또는 수 분무, 화염 형성, 과립화, 밀링(milling) 및 체질(sieving)을 포함한다.
일부 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138) 내의 연마 입자는 중합체 전구체 입자에의 접착의 촉진, 중합체 접합제 연마 물품 중의 수지의 총량의 제어 등을 위해 하나 이상의 코팅 층을 선택적으로 포함할 수 있다. 제한하고자 하는 것이 아닌 일 예에서, 연마 입자는 레졸 수지와 같은 페놀 수지 예비중합체의 코팅을 포함할 수 있고, 또한 스프레딩 전에 노볼락 페놀 수지 재료로 코팅될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 성긴 분말 층(138) 내의 입자는, 소성될 때 상응하는 세라믹 형태로 전환되는 예컨대 보크사이트, 베마이트, 하소된 알루미나, 또는 하소된 지르코니아와 같은 세라믹 전구체(예를 들어, 알루미나 또는 지르코니아의 전구체)를 선택적으로 포함할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 액체 결합제 전구체 재료(170)는 3D 인쇄 장치(102)의 인쇄 헤드(150)에 의해 성긴 분말 층(138)의 사전결정된 영역(들)(180) 상으로 분사된다. 따라서, 액체 결합제 전구체 재료는 영역(180) 내의 성긴 분말 입자를 코팅하고, 연이어 사전결정된 영역(180) 내의 성긴 분말 입자를 적어도 일시적으로 서로 접합시키는 결합제로 전환된다. 액체 결합제 전구체 재료(170)는 (예를 들어, 증발, 또는 열적, 화학적, 및/또는 방사선 경화(예를 들어, UV 또는 가시광을 사용함)에 의해) 결합제 재료로 전환될 수 있는 임의의 조성물일 수 있고, 이 결합제 재료는 인쇄 헤드(150)의 프로그래밍된 이동에 의해 얻어지는 분사된 패턴(및 다수회 반복 시의 궁극적인 3D 형상)에 따라 성긴 분말 입자들을 함께 접합시킨다.
일부 실시 형태에서, 액체 결합제 전구체 재료(170)는 액체 담체 및 중합체를 포함한다. 액체 담체는 적어도 하나의 유기 용매 및 물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예시적인 유기 용매에는 알코올(예를 들어, 부탄올, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르), 케톤 및 에테르가 포함되지만 이에 한정되지 않으며, 이들은 일부 비제한적인 실시 형태에서 100℃ 초과의 인화점을 갖는다. 적합한 용매 또는 용매들의 선택은 예컨대 원하는 표면 장력 및 점도, 선택된 미립자 고체 등과 같은 특정 응용의 요건에 따라 전형적으로 좌우될 것이다.
일부 실시 형태에서, 액체 담체에 포함된 하나 이상의 유기 용매는, 예를 들어, 액체 결합제 전구체 재료(170)의 건조 속도 또는 표면 장력 중 적어도 하나를 제어할 수 있거나, 성분(예를 들어, 계면활성제)의 용해를 가능하게 할 수 있거나, 또는 임의의 성분의 부 성분으로서 사용될 수 있으며; 예를 들어 액체 담체에 성분으로서 첨가된 계면활성제 중에 유기 공용매가 존재할 수 있다. 액체 결합제 전구체 재료(170)를 위한 예시적인 유기 용매에는 알코올, 예컨대 메틸 알코올, 에틸 알코올, n-프로필 알코올, 아이소프로필 알코올, n-부틸 알코올, sec-부틸 알코올, t-부틸 알코올 및 아이소부틸 알코올; 케톤 또는 케토알코올, 예컨대 아세톤, 메틸 에틸 케톤 및 다이아세톤 알코올; 에스테르, 예컨대 에틸 아세테이트 및 에틸 락테이트; 다가 알코올, 예컨대 에틸렌 글리콜, 다이에틸렌 글리콜, 트라이에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 부틸렌 글리콜, 1,4-부탄다이올, 1,2,4-부탄트라이올, 1,5-펜탄다이올, 1,2,6-헥산트라이올, 헥실렌 글리콜, 글리세롤, 글리세롤 에톡실레이트, 트라이메틸올프로판 에톡실레이트; 저급 알킬 에테르, 예컨대 에틸렌 글리콜 메틸 또는 에틸 에테르, 다이에틸렌 글리콜 에틸 에테르, 트라이에틸렌 글리콜 메틸 또는 에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 n-부틸 에테르, 다이에틸렌 글리콜 n-부틸 에테르, 다이에틸렌 글리콜 메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 페닐 에테르, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 다이프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 트라이프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트, 다이프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트, 프로필렌 글리콜 n-프로필 에테르, 다이프로필렌 글리콜 n-프로필 에테르, 트라이프로필렌 글리콜 n-프로필 에테르, 프로필렌 글리콜 n-부틸 에테르, 다이프로필렌 글리콜 n-부틸 에테르, 트라이프로필렌 글리콜 n-부틸 에테르, 프로필렌 글리콜 페닐 에테르, 및 다이프로필렌 글리콜 다이메틸 에테르; 질소-함유 화합물, 예컨대 2-피롤리디논 및 N-메틸 -2-피롤리디논; 황-함유 화합물, 예컨대 다이메틸 설폭사이드, 테트라메틸렌 설폰, 및 티오글리콜; 및 임의의 전술한 것들의 조합이 포함되지만, 이에 한정되지 않는다.
액체 담체는 전적으로 물일 수 있거나, 또는 액체 결합제 전구체 재료(170) 중의 중합체를 용해시키기에 적합한 하나 이상의 유기 용매와 조합된 물을 함유할 수 있다. 바람직하게는, 수성 담체는 총 중량 기준으로, 20% 이상의 물, 30% 이상의 물, 40% 이상의 물, 50% 이상의 물, 또는 심지어 75% 이상의 물을 함유한다.
액체 담체 내의 유기 용매 및/또는 물의 양은 액체 결합제 전구체 재료(170)의 특히 요구되는 특성, 예컨대 점도, 표면 장력, 및/또는 건조 속도와 같은 몇몇 인자에 좌우될 수 있고, 이는 결국 액체 결합제 전구체 재료와 함께 사용되도록 의도된 잉크젯 인쇄 기술의 유형, 예컨대 피에조형(piezo-type) 또는 열형 인쇄 헤드(150)와 같은 인자에 좌우될 수 있다.
액체 결합제 전구체 재료(170) 중의 중합체는 액체 담체에서 용해성 또는 분산성일 수 있다. 액체 결합제 전구체 재료(170)에 적합한 중합체의 예에는 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 카프로락탐, 폴리비닐 알코올, 폴리아크릴아미드, 폴리(2-에틸 -2-옥사졸린)(PEOX), 폴리비닐 부티레이트, 메틸 비닐 에테르와 말레산 무수물의 공중합체, 아크릴산 및/또는 하이드록시에틸 아크릴레이트의 소정의 공중합체, 메틸 셀룰로오스, 천연 중합체(예를 들어, 덱스트린, 구아 검, 잔탄 검)가 포함된다. 일부 실시 형태에서, 폴리비닐 피롤리돈은 물을 포함하거나 주로 물인 액체 담체와 함께 사용될 수 있다. 원한다면, 이를 대신하여 또는 이에 추가하여, 상기에 열거된 것들 외의 다른 유기 중합체가 사용될 수 있다.
액체 결합제 전구체 재료(170)는 하나 이상의 자유-라디칼 중합성 또는 다르게는 방사선-경화성 재료; 예를 들어, 아크릴 단량체 및/또는 올리고머 및/또는 에폭시 수지를 포함할 수 있다. 자유-라디칼 중합성 또는 다르게는 방사선-경화성 재료를 경화시키기 위한 유효량의 광개시제 및/또는 광촉매가 또한 포함될 수 있다. 적합한 (메트)아크릴레이트 단량체 및 올리고머 및 다르게는 방사선-경화성 재료(예를 들어, 에폭시 수지)의 예는, 예를 들어, 미국 특허 제5,766,277호(데보(DeVoe) 등)에서 발견될 수 있다.
일부 바람직한 실시 형태에서, 액체 결합제 전구체 재료(170)에는 금속 나노입자 및/또는 금속 산화물 나노입자가 본질적으로 없다(예를 들어, 1% 미만, 0.1% 미만, 0.01% 미만의 나노입자를 함유하거나, 심지어 함유하지 않는다). 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "나노입자"는 평균 입자 직경이 1 마이크로미터 이하, 또는 500 나노미터(nm) 이하, 또는 심지어 150 nm 이하인 입자를 지칭한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 액체 결합제 전구체(170)는 알루미나 및/또는 지르코니아를 위한 세라믹 전구체를 포함하는 수성 졸일 수 있다. 예에는 수성 베마이트 졸 및 지르코니아 졸이 포함된다. 그러한 경우에, 중합체 접합제 연마 물품을 생성하기 위한 소성 후에, 액체 결합제 전구체(170)는 연마 입자와 동일하거나 상이한 조성을 가질 수 있다. 지르코니아 졸에 관한 상세 내용은, 예를 들어, 미국 특허 제6,376,590호(콜브(Kolb) 등)에서 발견될 수 있다. 베마이트 졸에 관한 상세 내용은, 예를 들어, 미국 특허 제4,314,827호(레이테이서 등), 제5,178,849호(바우어(Bauer)), 제4,518,397호(레이테이서 등), 제4,623,364호(코트링어 등), 제4,744,802호(슈와벨), 제4,770,671호(몬로 등), 제4,881,951호(우드(Wood) 등), 제4,960,441호(펠로우(Pellow) 등), 제5,011,508호(발드(Wald) 등), 제5,090,968호(펠로우), 제5,139,978호(우드), 제5,201,916호(버그(Berg) 등), 제5,227,104호(바우어), 제5,366,523호(로웬호스트(Rowenhorst) 등), 제5,429,647호(라미에(Larmie)), 제5,547,479호(콘웰(Conwell) 등), 제5,498,269호(라미에), 제5,551,963호(라미에), 제5,725,162호(가그(Garg) 등) 및 제5,776,214호(우드)에서 발견될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 분사된 액체 결합제 전구체(170)는 활성화 액체일 수 있으며, 이는 성긴 분말 층(138)의 사전결정된 영역(들)에서 고체 결합제 전구체 입자와 반응하거나 접촉하고, 결합제 전구체 입자가 결합제를 형성하게 하여 결합제의 사전결정된 영역에서 연마 입자 및 중합체 전구체 입자를 함께 일시적으로 접합시킨다. 일부 실시 형태에서, 분사된 활성화 액체(170)는 성긴 분말 층(138) 내의 선택된 입자 상의 결합제 전구체 층과 반응하거나 접촉하며, 이는 이어서 결합제 전구체 층이 결합제를 형성하게 하여 사전결정된 영역에서 연마 입자 및 중합체 전구체 입자를 함께 접합시킨다.
이제 도 1d를 참조하면, 분사된 액체 결합제 전구체 재료(170)는 성긴 분말 입자(138)의 사전결정된 영역(180)에서 성긴 분말 입자를 적어도 일시적으로 함께 접합하여 접합된 분말 입자의 층을 형성하는 결합제 재료로 전환된다 (단계(190)). 액체 결합제 전구체 재료는, 예를 들어 액체 결합제 전구체 재료(170) 내의 액체 담체의 증발에 의해 또는 액체 결합제 전구체 재료의 용융 또는 연화에 의해서와 같은 매우 다양한 방식으로 액체 결합제로 전환될 수 있다. 냉각은 본 기술 분야에 알려진 임의의 수단(예를 들어, 실온으로의 공기 냉각 또는 저온 급랭)에 의해 달성될 수 있다.
이어서, 소정의 프로그래밍된 설계에 따라 성긴 분말 층(138)의 선택된 영역에서 분사가 수행되는 영역(180)을 변화시키면서 상기 단계들을 반복하여 (도 1d의 단계(185)), 반복을 통해 도 1d의 단계(195)에서 3차원(3D) 미가공 연마 물품 예비성형품(196)이 층층이 생성된다. 각각의 반복에서, 성긴 분말 입자 및 액체 결합제 전구체 재료는 독립적으로 선택될 수 있으며; 즉, 성긴 분말 입자 및 액체 결합체 전구체 재료 중 어느 하나 또는 둘 모두는 인접한 침착된 층들의 것들과 동일하거나 상이할 수 있다.
생성된 연마 물품 예비성형품(196)은 결합제 재료에 의해 접합된 분말 입자뿐만 아니라 임의의 남아있는 미결합 성긴 분말 입자를 포함하는 미가공 연마 물품이다. 일단 연마 물품 예비성형품(196)을 형성하기 위해 충분한 반복이 수행되었으면, 일부 실시 형태에서, 연마 물품 예비성형품은 남아있는 미결합 성긴 분말 입자의 실질적으로 모두(예를 들어, 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 또는 99% 이상)로부터 분리될 수 있지만, 이는 본 발명의 방법에서의 요건은 아니다.
원한다면, 상이한 분말을 각각 포함하는 다수의 입자 저장소(reservoir)가 도 1의 공정의 각각의 단계(185)에서 사용될 수 있다. 마찬가지로, 다수의 상이한 액체 결합제 전구체 재료(170)가 공통 인쇄 헤드(150)를 통해 또는 몇몇 실시 형태에서의 별도의 인쇄 헤드를 통해 사용될 수 있다. 따라서, 상이한 분말/결합제가 중합체 접합제 연마 물품의 상이하고 이산된 영역에 분포될 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 저렴하지만 더 낮은 성능의 연마 입자 및/또는 중합체 접합제 전구체 입자는 고성능 특성을 갖는 것이 특별히 중요하지 않은 중합체 접합제 연마 물품의 영역으로(예를 들어, 연마 표면으로부터 멀리 떨어진 내부로) 보내질(relegated) 수 있다.
본 발명의 중합체 접합된 연마 물품을 제조하기에 적합한 분말 층 분사 3D 인쇄 장비는, 예를 들어 미국 펜실베이니아주 노스 헌팅턴 소재의 엑스원(ExOne)으로부터 구매가능하다. 본 발명을 실시하기에 적합한 분말 층 분사 기술에 관한 추가의 상세 내용은, 예를 들어 미국 특허 제5,340,656호(사크(Sachs) 등) 및 제6,403,002 B1호(반 데르 제스트(van der Geest))에서 발견될 수 있다.
도 1d의 단계(197)에서, 미가공 연마 물품 예비성형품(196)은 추가로 가공되어 중합체 접합제 연마 물품(198)을 형성한다. 추가 가공 단계(197)는 의도된 응용에 따라 광범위하게 변할 수 있지만, 일반적으로 연마 입자 예비성형품(196) 내의 중합체 전구체 입자를 예비성형품(196) 내의 연마 입자를 보유하거나 그와 접합되는 중합체 매트릭스로 변형시킨다.
일부 실시 형태에서, 가공 단계(197)는 연마 물품 예비성형품(196)을 가열하여 중합체 전구체 입자가 연화되어 연마 물품 예비성형품(196) 내의 연마 입자들의 적어도 일부의 주위에서 유동하게 하는 단계를 포함한다. 연화된 중합체 전구체 입자는 연마 입자들 사이의 간극(interstice)을 차지하여 매트릭스를 보유한 연마 물품을 형성한다. 물론, 연마 물품 예비성형품(196)이 가열되는 온도는 그 안에 존재하는 중합체 전구체 및 연마 입자에 좌우되지만, 일부 비제한적인 예시적인 실시 형태에서 예비성형품(196)은 약 150℃ 내지 약 350℃, 또는 약 200℃ 내지 약 250℃, 또는 약 205℃ 내지 약 230℃로 가열된다. 예비성형품(196)은, 예를 들어 오븐 내에 넣는 방법, 레이저를 이용하는 방법, 또는 방사선을 적용하는 방법을 포함하는 임의의 적합한 방법에 의해 가열될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 예비성형품(196)이 가열되는 온도는 예비성형품(196) 내에 존재하는 결합제 재료의 적어도 일부 또는 모두를 제거하기에 충분할 수 있다. 냉각 단계 후에, 생성된 중합체 접합제 연마 물품(198)이 선택된 연삭 응용에 사용될 수 있도록 중합체 매트릭스는 연마 입자를 충분히 보유한다.
다른 실시 형태에서, 가공 단계(197)는, 예를 들어 자외(UV) 방사선과 같은 화학 방사선을 연마 물품 예비성형품(196)에 적용하여 중합체 전구체 입자를 적어도 부분적으로 경화시키고 연마 입자의 적어도 일부를 보유하기 위한 중합체 매트릭스를 형성하고 중합체 접합제 연마 물품(198)을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
또 다른 실시 형태에서, 가공 단계(197)는 연마 입자 예비성형품(196)에 활성화 재료 또는 중합화 재료를 적용하여 중합체 전구체 입자를 적어도 부분적으로 중합하고 연마 입자의 적어도 일부를 보유하기 위한 중합체 매트릭스를 형성하고 중합체 접합제 연마 물품(198)을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
가공 단계(197)는 열, 화학 방사선 또는 중합화 및 활성화 재료의 적용 중 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있고, 이들 가공 단계는 연속적으로 또는 배치 형태로 수행될 수 있음에 유의하여야 한다.
일부 실시 형태에서, 중합체 접합제 연마 물품(198)은 그의 부피 전체에 걸쳐 상당한 다공성을 가질 수 있다. 그러므로, 일부 실시 형태에서, 연마 물품 예비성형품(196)에는 가공 단계(197) 전에, 그 동안 또는 그 후에 추가적인 중합체 접합제 전구체 재료 또는 결정립 성장 개질제의 용액 또는 분산액이 선택적으로 주입될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 다른 방법에 의해 용이하게 또는 쉽게 제조될 수 없는 다양한 중합체 접합제 연마 물품(198)을 제조하기에 적합하다. 예를 들어, 연마 물품 예비성형품(196)의 외부로의 개구가 미결합 성긴 분말의 제거를 위해 존재하는 경우, 내부 공극이 중합체 접합제 연마 물품(198)에 포함될 수 있다. 중합체 접합제 연마 물품(198)의 외부로 개방되는 사행형 및/또는 아치형 경로를 갖는 냉각 채널이 본 발명의 방법을 사용하여 용이하게 제조될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 중합체 접합제 연마 물품(198)은 단일 개구를 가질 수 있지만, 보다 전형적으로 이들은 2개 이상의 개구를 갖는다. 연마 중에 발생된 열을 제거하기 위해 냉각 매체(cooling medium)(예를 들어, 공기, 물 또는 오일)가 냉각 채널(들)을 통해 순환한다.
일부 실시 형태에서, 중합체 접합제 연마 물품(198)에는 부품을 치밀화 및 강화하기 위해 침투제(infiltrant)가 추가로 주입될 수 있다. 제한하고자 하는 것이 아닌 일 예에서, 중합체 접합제 연마 입자(198)는 중합체 침투제 내에 침지될 수 있고, 중합체 재료는 부품 내에 임의의 원치 않는 공극으로 들어가도록 허용될 수 있다. 이어서, 중합체 침투제가 경화 또는 경질화되어, 침투된 부품을 강화시키거나 또는 달리 특정 응용을 위해 그의 특성을 변경시킬 수 있다.
중합체 접합제 연마 물품(198)은 금속 맨드릴에 선택적으로 기계가공되거나 부착되어, 예컨대 단일 구조화된 연마 디스크, 연삭 비트(bit), 연마 세그먼트, 형상화된 연마 입자(예를 들어, 삼각형 연마 입자), 연마 휠 등과 같은 적합한 연삭 부품을 형성할 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 예시적인 중합체 접합제 연마 휠(200)은 각각 아치형 및 사행형 냉각 채널(210)을 갖는다.
도 3은 사행형 냉각 채널(320)을 갖는 다른 예시적인 중합체 접합제 연마 휠(300)을 도시한다.
도 4는 예시적인 중합체 접합제 연마 세그먼트(400)를 도시한다. 전형적인 사용에서, 다수의 중합체 접합제 연마 세그먼트(400)는 금속 디스크의 주변부(circumference)를 따라 균일하게 이격되어 장착되어 연마 휠을 형성한다.
도 5는 2개의 영역(510, 520)을 갖는 중합체 접합제 연마 디스크(500)를 도시한다. 각각의 영역은 중합체 접합제 매트릭스 재료(550, 560) 내에 각각 보유된 연마 입자(530, 540)를 갖는다.
도 6a 및 도 6b와 도 7a 및 도 7b는 정밀-형상화된 연마 요소(610, 710)가 평면 베이스(620, 720)와 일체로 형성된 다양한 단일 구조화된 연마 디스크를 각각 도시한다.
도 8은 회전식 연마 공구(800)(예를 들어, 드레멜(Dremel) 공구와 같은 핸드헬드 모터 구동 샤프트용 비트)를 도시한다.
도 2 및 도 3에 도시된 전술한 중합체 연마 휠은 상응하는 미가공 연마 물품 전구체 본체(즉, 동일한 일반적인 형상 특징을 갖지만, 일시적 결합제에 의해 함께 유지된 중합체 접합제 전구체 입자를 포함함)를 가열하거나 다르게는 전환시킴으로써 제조될 수 있다.
본 발명의 선택된 실시 형태
실시 형태 A: 중합체 매트릭스 안에 보유된 연마 입자를 갖는 중합체 접합제 재료를 포함하는 중합체 접합제 연마 물품으로, 중합체 접합제 연마 물품은 연마 물품을 통해 적어도 부분적으로 연장되는 사행형 냉각 채널 및 아치형 냉각 채널 중 적어도 하나를 갖는, 중합체 접합제 연마 물품.
실시 형태 B. 연마 입자는 제1 연마 입자 및 제2 연마 입자를 포함하고, 제1 연마 입자 및 제2 연마 입자는 중합체 접합제 연마 물품 내의 사전결정된 상이한 영역에 배치되는, 실시 형태 A의 중합체 접합제 연마 물품.
실시 형태 C. 상이한 영역은 층인, 실시 형태 A 또는 실시 형태 B의 중합체 접합제 연마 물품.
실시 형태 D. 연마 입자는 다이아몬드 입자 또는 입방정계 질화붕소 입자 중 적어도 하나를 포함하는, 실시 형태 A 내지 실시 형태 C 중 어느 하나의 실시 형태의 중합체 접합제 연마 물품.
실시 형태 E. 연마 입자는 탄화규소, 탄화붕소, 질화규소 또는 금속 산화물 세라믹 입자 중 적어도 하나를 포함하는, 실시 형태 A 내지 실시 형태 D 중 어느 하나의 실시 형태의 중합체 접합제 연마 물품.
실시 형태 F. 중합체 접합제 연마 물품은 단일 구조화된 연마 디스크, 연마 연삭 비트, 연마 세그먼트 및 연마 휠로부터 선택되는, 실시 형태 A 내지 실시 형태 E 중 어느 하나의 실시 형태의 중합체 접합제 연마 물품.
실시 형태 G. 중합체 매트릭스에 접합된 연마 입자를 포함하는 중합체 접합제 연마 물품 전구체로서, 중합체 접합제 연마 물품 전구체는 중합체 접합제 연마 물품 전구체를 통해 적어도 부분적으로 연장되는 적어도 하나의 사행형 냉각 채널; 또는 중합체 접합제 연마 물품 전구체를 통해 적어도 부분적으로 연장되는 적어도 하나의 아치형 냉각 채널 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 중합체 접합제 연마 물품 전구체.
실시 형태 H. 연마 입자는 탄화규소, 탄화붕소, 질화규소 또는 금속 산화물 세라믹 입자 중 적어도 하나를 포함하는, 실시 형태 G의 중합체 접합제 연마 물품 전구체.
실시 형태 I. 연마 물품의 제조 방법으로서,
a)
i) 한정된 영역에 성긴 분말 입자의 층을 침착시키는 단계로서, 성긴 분말 입자는 중합체 접합제 전구체 입자 및 연마 입자를 포함하고, 성긴 분말 입자의 층은 실질적으로 균일한 두께를 갖는, 단계와;
ii) 성긴 분말 입자의 층의 사전결정된 영역에 액체 결합제 전구체 재료를 적용하는 단계와;
iii) 액체 결합제 전구체 재료를 일시적 결합제 재료로 전환하는 단계로서, 일시적 결합제 재료는 사전결정된 영역 중의 중합체 접합제 전구체 입자 및 연마 입자의 적어도 일부에 접합되어 접합된 분말 입자의 층을 형성하는, 단계
를 포함하는 하위 공정;
b) 독립적으로, 단계 a)를 여러 번 수행하여, 접합된 분말 입자 및 남아있는 성긴 분말 입자를 포함하는 연마 물품 예비성형품을 생성하는 단계로서, 각각의 단계 a)에서 성긴 분말 입자는 독립적으로 선택되고 액체 결합제 전구체 재료는 독립적으로 선택되는, 단계; 및
c) 연마 물품 예비성형품 중의 중합체 접합제 전구체 입자를 중합체 접합제 입자로 전환하는 단계로서, 중합체 접합제 입자는 연마 입자를 보유하여 중합체 접합제 연마 물품을 형성하는, 단계
를 포함하는, 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 J. 연마 입자는 다이아몬드 입자, 입방정계 질화붕소 입자 또는 금속 산화물 세라믹 입자 중 적어도 하나를 포함하는, 실시 형태 I의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 K. 액체 결합제 전구체 재료는 중합체가 그 안에 용해 또는 분산되어 있는 액체 담체를 포함하는, 실시 형태 I 또는 실시 형태 J의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 L. 전환 단계 (c) 전에 실질적으로 모든 남아있는 성긴 분말 입자를 연마 물품 예비성형품으로부터 분리하는 단계를 추가로 포함하는, 실시 형태 I 내지 실시 형태 K 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 M. 성긴 분말 입자는 서브마이크로미터 세라믹 입자를 포함하는, 실시 형태 I 내지 실시 형태 L 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 N. 중합체 접합제 전구체 입자는 우레탄 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지 및 이들의 조합으로부터 선택되는, 실시 형태 I 내지 실시 형태 M 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 O. 전환 단계 (c)는 중합체 접합제 입자를 형성하기 위하여 연마 물품 예비성형품을 중합체 접합제 전구체 입자를 적어도 부분적으로 연화시키기에 충분한 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 실시 형태 I 내지 실시 형태 N 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 P. 전환 단계 (c)는 중합체 접합제 입자를 형성하기 위하여 연마 물품 예비성형품을 중합체 접합제 전구체 입자를 중합시키기에 충분한 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 실시 형태 I 내지 실시 형태 O 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 Q. 전환 단계 (c)는 중합체 접합제 입자를 형성하기 위하여 연마 물품 예비성형품의 선택된 부분을 중합체 접합제 전구체 입자를 적어도 부분적으로 연화시키거나 중합시키기에 충분한 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 실시 형태 I 내지 실시 형태 P 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 R. 연마 물품 예비성형품은 약 150℃ 내지 약 250℃의 온도로 가열되는, 실시 형태 I 내지 실시 형태 Q 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 S. 전환 단계 (c)는 중합체 접합제 입자를 형성하기 위하여 중합화제를 연마 물품 예비성형품에 적용하여 중합체 접합제 전구체 입자를 적어도 부분적으로 중합하는 단계를 포함하는, 실시 형태 I 내지 실시 형태 R 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 T. 단계 (a)(ii) 전에 성긴 분말 입자를 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 실시 형태 I 내지 실시 형태 S 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 U. 성긴 분말 입자를 약 30℃ 이하의 온도로 가열하는, 실시 형태 I 내지 실시 형태 T 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 V. 일시적 결합제 재료는 폴리비닐 피롤리돈을 포함하는, 실시 형태 I 내지 실시 형태 U 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 W. 연마 물품의 제조 방법으로서,
a)
i) 한정된 영역에 성긴 분말 입자의 층을 침착시키는 단계로서, 성긴 분말 입자는 약 5 중량% 내지 95 중량%의 중합체 접합제 전구체 입자 및 약 5 중량% 내지 약 95 중량%의 연마 입자를 포함하고, 성긴 분말 입자의 층은 실질적으로 균일한 두께를 갖는, 단계;
ii) 성긴 분말 입자의 층의 사전결정된 영역에 액체 결합제 전구체 재료를 분사하는 단계; 및
iii) 액체 결합제 전구체 재료를, 사전결정된 영역 중의 성긴 분말 입자의 입자들을 함께 접합하여 접합된 분말 입자의 층을 형성하는 일시적 결합제 재료로 전환하는 단계
를 포함하는 하위 공정;
b) 독립적으로, 단계 a)를 여러 번 수행하여, 접합된 분말 입자 및 남아있는 성긴 분말 입자를 포함하는 연마 물품 예비성형품을 생성하는 단계로서, 각각의 단계 a)에서 성긴 분말 입자는 독립적으로 선택되고 액체 결합제 전구체 재료는 독립적으로 선택되는, 단계; 및
(c) 중합체 접합제 입자를 형성하기 위하여 연마 물품 예비성형품 중의 중합체 접합제 전구체 입자를 가열하여 중합체 접합제 전구체 입자를 경화시키는 단계로서, 중합체 접합제 입자는 연마 입자를 보유하여 중합체 접합제 연마 물품을 형성하는, 단계
를 포함하는, 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 X. 단계 (a)(ii) 전에 성긴 분말 입자를 약 30℃ 이하의 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 실시 형태 W의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 Y. 전환 단계 (c) 전에 실질적으로 모든 남아있는 성긴 분말 입자를 연마 물품 예비성형품으로부터 분리하는 단계를 추가로 포함하는, 실시 형태 W 또는 실시 형태 X의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 Z. 성긴 분말 입자는 중합체 접합제 전구체 입자를 추가로 포함하는, 실시 형태 W 내지 실시 형태 Y 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 AA. 단계 (c) 후에 중합체 접합된 연마 물품을 소결하여 중합체 접합제 전구체 입자를 중합체 접합제 입자로 전환하고 중합체 접합된 연마 물품을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 실시 형태 W 내지 실시 형태 Z 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
실시 형태 BB. 중합체 접합된 연마 물품에 중합체 침투제를 침투시키는 단계를 추가로 포함하는, 실시 형태 W 내지 실시 형태 AA 중 어느 하나의 실시 형태의 연마 물품의 제조 방법.
본 발명의 목적 및 이점이 하기의 비제한적인 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 실시예에서 언급된 특정 재료 및 그의 양뿐만 아니라 다른 조건 및 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예
일반적인 공정 설명:
중합체 분말과 연마 입자의 혼합물을 제조하고, 미국 펜실베이니아주 노스 헌팅던 소재의 더 엑스원 컴퍼니로부터 입수한 엑스원 M-LAB 3D 프린터의 공급물 챔버에 넣었다. 프린터의 결합제 공급 병을, 엑스원으로부터 PM-B-SR1-04로서 입수한 에테르 용매계 중합체 결합제로 충전시켰다.
3D 모델을 파일로 준비하여 회전식 공구 및 폴리싱 형상을 위한 예시적인 부품을 제조하였고, 이 파일을 엑스원 M-lab 프린터를 위한 인쇄 작업으로 준비하였다.
인쇄 후에, 인쇄된 세그먼트 및 부품을 추출하고, 분말제거하였고, 상당히 안정한 것으로 밝혀졌다. 이들 세그먼트 및 부품을 금속 맨드릴 상에 배치하고, 오븐 내에 넣어서 응집체 주위의 분말을 치밀화하고 3D 형상을 금속 맨드릴에 부착시켰다. 치밀화된 부품을 하기에 기재된 바와 같이 연마 성능에 대해 평가하였다.
실시예 1
분말 혼합물을, 루브리졸(Lubrizol) X2006-NAT-025PWD(미국 오하이오주 브렉스빌 소재의 루브리졸 어드밴스드 머티어리얼스(Lubrizol Advanced Materials))로부터의 67 중량% 폴리우레탄 분말 및 33 중량% 9 μm 다이아몬드 응집체(미국 012116-SD1 위스콘신주 컴버랜드 소재의 쓰리엠(3M) 컴퍼니)로 제조하였다. 부품을 생성하는 데 사용된 3D 모델은 캡(cap)을 갖는 중공 실린더였다. 형상화된 부품을 엑스원 M-lab 3D 프린터에서 인쇄하였다. 층 높이는 100 μm였고, 스프레더 속도는 5 mm/min이었고, 인쇄 포화도는 공칭 90% 수준으로 설정하였고, 건조 시간은 히터 출력이 50%로 설정된 상태에서 15초로 설정하였다. 결합제는 엑스원 PM-B-SR1-04였다.
부품을 분말제거하고(도 9), 도 10의 사진에 도시된 바와 같이 3 mm 직경의 강 맨드릴 상에 배치하였다. 이어서, 부품을 1시간 동안 210℃에서 경화시켰다. 생성된 경화된 물품의 사진이 도 11에 나타나 있다.
실시예 2
실시예 1과 동일하게 분말 혼합물을 제조하였다: 루브리졸 X2006-NAT-025PWD로부터의 67% 폴리우레탄 분말 및 33% 9 μm 다이아몬드 응집체(미국 012116-SD1 위스콘신주 컴버랜드 소재의 3M). 부품을 생성하는 데 사용된 3D 모델은 중공 실린더 상의 절두 원추였다. 형상화된 부품을 엑스원 M-lab 3D 프린터에서 인쇄하였다. 층 높이는 100 μm였고, 스프레더 속도는 5 mm/min이었고, 인쇄 포화도는 공칭 90% 수준으로 설정하였고, 건조 시간은 히터 출력이 50%로 설정된 상태에서 15초로 설정하였다. 결합제는 엑스원 PM-B-SR1-04였다.
부품을 분말제거하고(도 9), 알루미늄 트레이 내에 소량의 다이아몬드 응집체(유일함) 상에 두었다. 이어서, 부품을 1시간 동안 210℃에서 경화시켰다. 생성된 경화된 물품의 사진이 도 11에 나타나 있다.
실시예 3
실시예 1과 동일하게 분말 혼합물을 제조하였다: 루브리졸 X2006-NAT-025PWD로부터의 67% 폴리우레탄 분말 및 33% 9 μm 다이아몬드 응집체(미국 012116-SD1 위스콘신주 컴버랜드 소재의 3M). 부품을 생성하기 위해 사용된 3D 모델은 외측 둘레에 아치형 홈과 둥근 상부를 갖는 실린더였으며, 이때 상부는 실린더의 축을 따라 막힌(blind) 중심 구멍에 연결되는 반경에 정렬된 역 테이퍼형 원추형 구멍을 갖는다. 형상화된 부품을 엑스원 M-lab 3D 프린터에서 인쇄하였다. 층 높이는 100 μm였고, 스프레더 속도는 5 mm/min이었고, 인쇄 포화도는 공칭 90% 수준으로 설정하였고, 건조 시간은 히터 출력이 50%로 설정된 상태에서 15초로 설정하였다. 결합제는 엑스원 PM-B-SR1-04였다.
부품을 분말제거하였고, 분말제거된 부품의 사진이 도 12에 나타나 있다.
실시예 4
분말 혼합물을, 30 중량% 3M 스카치코트(Scotchkote) 6258 에폭시(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M 컴퍼니) 및 70 중량% P280 알루미나 연마재(오스트리아 빌라흐 소재의 이머리스 퓨즈드 미네랄즈 게엠베하(Imerys Fused Minerals GmbH))로 제조하였다. 부품을 생성하는 데 사용된 3D 모델은 캡을 갖는 중공 실린더였다. 형상화된 부품을 엑스원 M-lab 3D 프린터에서 인쇄하였다. 층 높이는 100 μm였고, 스프레더 속도는 5 mm/min이었고, 인쇄 포화도는 공칭 90% 수준으로 설정하였고, 건조 시간은 히터 출력이 80%로 설정된 상태에서 15초로 설정하였다. 결합제는 엑스원 PM-B-SR1-04였다.
부품을 분말제거하였고, 분말제거된 부품의 사진이 도 13에 나타나 있다. 실린더 부품을 강 샤프트 상에 놓고 125℃에서 45분 동안 경화시켰다(굳게 하였다). 경화 후의 인쇄된 부품의 사진이 도 14에 나타나 있다.
폴리싱 결과
지르코니아의 습식 폴리싱을 위해 도 11에 도시된 바와 같은 실시예 1의 맨드릴 공구를 제공하였다. 15 mm x 20 mm 치수의 표면을 갖는 지르코니아 쿠폰을 15,000 rpm으로 회전하는 맨드릴 상에 100 내지 250 그램힘(gf)을 가하여 대략 30초 동안 폴리싱하였다.
각각의 힘 조건을 별도의 지르코니아 쿠폰 상에서 실시하였다. 가해진 힘의 기간 동안, 약 5 mm x 5 mm 치수의 영역에 영향을 주도록 공구를 일정한 방식으로 이동시켰다.
폴리싱 후에, 샘플의 광택(gloss)을 측정하였고 이는 도 15에 도시되어 있다. 로포인트 인스트루먼츠(Rhopoint Instruments)(영국 이스트 서섹스 소재)로부터의 노보-커브 광택계(Novo-Curve gloss meter)를 사용하여 폴리싱한 후에 60도 광택 GU(광택 단위)를 측정하였다. 지르코니아 샘플을 2개의 수직한 방향에서의 광택("광택 1" 및 "광택 2")에 대해 측정하였다. 200 및 250 gf에 대한 재료 손실은 분당 약 1 mg이었고, 다른 조건에 있어서 손실은 측정가능한 한계 미만이었다. 폴리싱 동안 및 폴리싱 후에, 3D 중합체 접합제 연마재 형상은 균열을 나타내지 않았고, 맨드릴로부터의 분리 징후도 나타나지 않았다.
특허증을 위한 상기 출원에서의 모든 인용된 참고 문헌, 특허, 및 특허 출원은 전체적으로 일관된 방식으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 본 출원과 포함되는 참고 문헌의 부분들 사이에 불일치 또는 모순이 있는 경우, 전술한 설명에서의 정보가 우선할 것이다. 당업자가 청구되는 발명을 실시할 수 있게 하기 위해 주어진 전술한 설명은, 청구범위 및 그에 대한 모든 동등물에 의해 한정되는 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. a) i) 한정된 영역에 성긴(loose) 분말 입자의 층을 침착시키는 단계로서, 상기 성긴 분말 입자는 중합체 접합제 전구체 입자 및 연마 입자를 포함하고, 상기 성긴 분말 입자의 층은 균일한 두께를 갖는, 단계;
    ii) 상기 성긴 분말 입자의 층의 사전결정된 영역에 액체 결합제 전구체 재료를 적용하는 단계; 및
    iii) 상기 액체 결합제 전구체 재료를 일시적 결합제 재료로 전환하는 단계로서, 상기 일시적 결합제 재료는 상기 사전결정된 영역 중의 상기 중합체 접합제 전구체 입자 및 상기 연마 입자의 적어도 일부에 접합되어 접합된 분말 입자의 층을 형성하는, 단계
    를 포함하는 하위 공정 단계;
    b) 독립적으로, 단계 a)를 여러 번 수행하여, 상기 접합된 분말 입자 및 남아있는 성긴 분말 입자를 포함하는 연마 물품 예비성형품(preform)을 생성하는 단계로서, 이때 각각의 단계 a)에서 상기 성긴 분말 입자는 독립적으로 선택되고 상기 액체 결합제 전구체 재료는 독립적으로 선택되는, 단계; 및
    c) 상기 연마 물품 예비성형품 중의 상기 중합체 접합제 전구체 입자를 중합체 접합제 입자로 전환하는 단계로서, 이때 상기 중합체 접합제 입자는 연마 입자를 보유하여 중합체 접합제 연마 물품을 형성하는, 단계
    를 포함하는, 연마 물품의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전환 단계 (c) 전에,
    모든 상기 남아있는 성긴 분말 입자를 상기 연마 물품 예비성형품으로부터 분리하는 단계
    를 추가로 포함하는, 연마 물품의 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 전환 단계 (c)는,
    상기 중합체 접합제 입자를 형성하기 위하여 상기 연마 물품 예비성형품을 상기 중합체 접합제 전구체 입자를 적어도 부분적으로 연화시키기에 충분한 온도로 가열하는 단계, 또는
    상기 중합체 접합제 입자를 형성하기 위하여 상기 연마 물품 예비성형품을 상기 중합체 접합제 전구체 입자를 중합시키기에 충분한 온도로 가열하는 단계, 또는
    상기 중합체 접합제 입자를 형성하기 위하여 상기 연마 물품 예비성형품의 선택된 부분을 상기 중합체 접합제 전구체 입자를 적어도 부분적으로 연화시키기에 충분한 온도로 가열하는 단계
    를 포함하고,
    선택적으로, 상기 연마 물품 예비성형품은 150℃ 내지 250℃의 온도로 가열되는, 연마 물품의 제조 방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 전환 단계 (c)는, 중합체 접합제 입자를 형성하기 위하여 중합화제를 상기 연마 물품 예비성형품에 적용하여 상기 중합체 접합제 전구체 입자를 적어도 부분적으로 중합하는 단계를 포함하는, 연마 물품의 제조 방법.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    단계 (a)(ii) 전에 상기 성긴 분말 입자를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 연마 물품의 제조 방법.
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