KR102477311B1 - 액상 고무 컴파운드의 제조방법 및 3d 프린터를 이용한 타이어의 제조방법 - Google Patents

액상 고무 컴파운드의 제조방법 및 3d 프린터를 이용한 타이어의 제조방법 Download PDF

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Abstract

3D 프린터에 적용 가능한 액상 고무 컴파운드의 제조방법 및 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법이 제공된다. 본 발명에 따른 액상 고무 컴파운드의 제조방법은, 고무 컴파운드를 분말화하는 파쇄 단계, 분말화 된 상기 고무 컴파운드를 제1 용매에 용해시키는 용해 단계 및 상기 용해 단계의 결과물을 건조하는 건조 단계를 포함한다.

Description

액상 고무 컴파운드의 제조방법 및 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF LIQUID RUBBER COMPOUND AND MANUFACTURING METHOD OF TIRE USING 3D PRINTER}
본 발명은, 액상 고무 컴파운드의 제조방법 및 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 고무 컴파운드의 유변 물성을 변화시킴으로써, 3D 프린터에 적용 가능하게 하고, 상기 3D 프린터를 이용하여 타이어를 제조하는, 액상 고무 컴파운드의 제조방법 및 타이어의 제조방법에 관한 것이다.
전통적인 타이어 제조공정은 정련, 압출, 압연, 비드, 성형, 가류 공정으로 이루어진다. 구체적으로 주 원료인 생고무는 정련공정에서 여러가지 화학 약품과 혼합된다. 이후, 압출, 압연, 비드 공정에서 각 고무는 요구되는 특성을 구현할 수 있도록 특별한 형상으로 만들어지거나 코드와 결합되며, 이렇게 제조된 고무는 층층이 결합되어 반제품으로 조립된다. 반제품은 가류 공정을 통하여 경화되고 표면에 패턴이 형성된 완제품이 된다. 이러한 타이어의 공정은 새로운 구조의 타이어를 제조하는 것을 어렵게 하고, 동시에 높은 공정기술을 필요로 한다.
더불어 최근 타이어 패턴이 타이어 성능을 판가름하는 중요한 기술이라는 공감대가 이루어지고 있으며 이는 기존 공정으로는 불가능한 패턴을 요구하고 있다. 이러한 이유로 기존 가류 공정을 통해 패턴을 만드는 방식이 아닌 새로운 타이어 제조 방식이 고안되어야 한다.
일반적인 타이어는 자동차의 구동계통과 지면을 이어주는 소유 개념의 소모성 부품이었다. 하지만 전기자동차와 자율주행 기술의 발전과 함께 급격히 변화하는 자동차 시장은 자동차를 더 이상 소유의 대상이 아닌 공유 혹은 구독의 대상으로 바라보게 하였으며, 타이어와 같은 소모성 부품의 관리 및 교환이 화두로 떠오르고 있다. 다시 말해, 공유 경제 안에서의 이동 수단으로서의 자동차는 관리주체가 모호해지며 이는 부품의 점검 및 교체가 지연되는 상황으로 연결된다. 이러한 지연은 차량의 안전에 치명적이다. 따라서 다른 소모성 부품들과 마찬가지로, 타이어 또한 모빌리티 스스로 교체 주기를 판단하고 교체 또한 자동으로 진행되는 기술이 필요하다.
이러한 기술이 현실화되기 위해서는 타이어의 마모 정도를 추적하는 기술과 자동으로 타이어 트레드를 결합하는 기술이 필수적이다. 예를 들어, 자율주행 모빌리티는 반영구적으로 사용 가능한 타이어 케이스 혹은 스포크에 접지를 이루어 차량의 제동 및 구동에 관여하는 트레드 고무가 결합한 형태의 타이어를 사용할 수 있다. 이때 타이어의 안전성과 성능의 유지를 위해 트레드의 두께, 구체적으로 그루브의 깊이는 일정 수준 이상으로 유지되어야 하며 마모가 진행된 트레드는 교체를 해야 한다. 이때 트레드만 교체하기 위해 리트레딩 기술이 검토되고 있다.
리트레딩은 전통적으로 값 비싼 트럭/버스 타이어와 같이 대형 타이어에 주로 적용이 되어 왔으며, 타이어 교체 비용의 절감을 위한 기술이었다. 일반적인 리트레딩은 평면의 트레드 고무를 표면을 매끄럽게 처리한 타이어 케이스 위에 붙이는 방식으로 이루어진다. 트레드 고무를 케이스에 붙이는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째는 이미 가교가 완료된 트레드 고무를 접착제를 사용하여 부착하는 것이다. 두 번째는 가교가 진행되지 않은 고무를 케이스 위에 고정한 후 가류공정을 통해 접착시키는 방법이다.
이 두가지 방법은 휠에서 타이어를 분리한 후 여러 공정을 거처 리트레딩을 하는 방법이다. 따라서 앞에서 언급한 자동화 공정의 실현은 힘들 것이다. 더불어 반영구적으로 사용가능한 케이스 혹은 스포크의 적용은 미래 자율주행 모빌리티가 주행하기 위해서는 필연적으로 적용되어야 한다. 이는 대형 타이어에 주로 적용되던 리트레딩 기술이 점차 모든 자율주행 차량이 타이어를 교체하기 위해 필요한 기술이 될 것임을 의미한다.
등록특허 US9,889,617 B2는 마모된 표면을 갖는 타이어를 리트레딩하기 위한 장치에 관한 발명이지만, 고무 컴파운드를 분말화하고, 적절한 용매 선택과 건조 과정을 통해 액상 고무 컴파운드의 유변 물성을 변화시키는 과제해결원리를 일체 인식하지 못하고 있다.
공개특허 DE 10-2018-216027은, 디스펜싱 장치를 이용하여 그린 타이어를 리트레딩하는 발명으로, 스플라이스 영역에 디스펜싱 장치에 의해 고무 필러가 도입되는 기술적 사상을 개시하고 있지만, 고무 컴파운드를 분말화하고, 적절한 용매 선택과 건조 과정을 통해 액상 고무 컴파운드의 유변 물성을 변화시키는 과제해결원리를 일체 인식하지 못하고 있다.
미국 등록특허 US9,889,617 B2(2013.06.20.) 독일 공개특허 DE 10-2018-216027(2020.03.26)
본 발명의 목적은, 고무 컴파운드를 용매에 투입하기 전 냉각제를 이용하여 경화시킨 뒤 파쇄함으로써, 반응성을 향상시키는 액상 고무 컴파운드의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 분말화 된 고무 컴파운드를 적절한 용매에 용해시킨 뒤, 건조 단계를 수행함으로써 3D 프린터에 바로 적용 가능할 수 있는 유변 특성을 갖는 액상 고무 컴파운드의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전술한 액상 고무 컴파운드의 제조방법으로 제조된 액상 고무 컴파운드를 3D 프린터에 적용함으로써, 타이어의 트레드 부분에 패턴을 새기기 위한 몰드를 대체하는 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적들과 다른 본 발명의 목적은, 액상 고무 컴파운드의 특성 상 타이어 완제품을 운송할 필요가 없어 운송 효율과 비용의 절감을 가져오고, 반제품 상태로 액상 고무 컴파운드를 보관할 수 있게 됨으로써, 보관 용이성이 증가하는 타이어의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 고무 컴파운드를 분말화하는 파쇄 단계, 분말화 된 상기 고무 컴파운드를 제1 용매에 용해시키는 용해 단계 및 상기 용해 단계의 결과물을 건조하는 건조 단계를 포함하는 액상 고무 컴파운드의 제조방법이다.
본 발명의 다른 실시예는, 상기 액상 고무 컴파운드의 제조방법으로 제조된 제1 액상 고무 컴파운드를 제1 디스펜서에 주입하는 제1 주입 단계; 및 상기 제1 디스펜서와 연결된 제1 노즐로 상기 제1 액상 고무 컴파운드를 토출하는 제1 방출 단계를 포함하는, 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법이다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 상기 액상 고무 컴파운드의 제조방법으로 제조된 제1 액상 고무 컴파운드를 제1 디스펜서에 주입하는 제1 주입 단계; 및 상기 제1 디스펜서와 연결된 제1 노즐로 상기 제1 액상 고무 컴파운드를 토출하는 제1 방출 단계를 포함하고, 제2 액상 고무 컴파운드를 상기 제1 디스펜서와 대응되는 제2 디스펜서에 주입하는 제2 주입 단계 및 상기 제2 디스펜서와 연결된 제2 노즐로 상기 제2 액상 고무 컴파운드를 토출하는 제2 방출 단계를 더 포함하는, 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법이다.
본 발명의 목적은, 고무 컴파운드를 용매에 투입하기 전 냉각제를 이용하여 경화시킨 뒤 파쇄함으로써, 반응성을 향상시키는 액상 고무 컴파운드의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 분말화 된 고무 컴파운드를 적절한 용매에 용해시킨 뒤, 건조 단계를 수행함으로써 3D 프린터에 바로 적용 가능할 수 있는 유변 특성을 갖는 액상 고무 컴파운드의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전술한 액상 고무 컴파운드의 제조방법으로 제조된 액상 고무 컴파운드를 3D 프린터에 적용함으로써, 타이어의 트레드 부분에 패턴을 새기기 위한 몰드를 대체하는 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적들과 다른 본 발명의 목적은, 액상 고무 컴파운드의 특성 상 타이어 완제품을 운송할 필요가 없어 운송 효율과 비용의 절감을 가져오고, 반제품 상태로 액상 고무 컴파운드를 보관할 수 있게 됨으로써, 보관 용이성이 증가하는 타이어의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 액상 고무 컴파운드의 제조방법에서 파쇄 단계 이후의 고무 컴파운드를 나타낸 사진이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 용해 단계의 결과물을 나타낸 사진이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 액상 고무 컴파운드의 제조방법으로 제조된 액상 고무 컴파운드를 3D 프린터의 디스펜서에 주입한 뒤 프린팅한 샘플을 나타낸 것이다.
도 4a는, 천연 고무와 카본 블랙으로 제조한 고무 컴파운드를 사이클로헥세인 용매에 용해시켜 제조한 액상 고무 컴파운드와, 스티렌-부타디엔 고무와 실리카로 제조한 고무 컴파운드를 사이클로헥세인 용매에 용해시켜 제조한 액상 고무 컴파운드 각각의 전단 변화율(Shear rate)에 따른 점도(mPas) 변화를 비교한 그래프이다.
도 4b는 천연 고무와 카본 블랙으로 제조한 고무 컴파운드를 사이클로헥세인 용매에 용해시켜 제조한 액상 고무 컴파운드와 스티렌-부타디엔 고무과 실리카로 제조한 고무 컴파운드 각각의, 전단 응력(Pa, shear stress)에 따른 스토리지 모듈러스(Pa, Storage modulus) 및 전단 응력(Pa, shear stress)에 따른 로스 모듈러스(Pa, Loss modulus)의 변화를 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
본 발명의 일 실시예는, 고무 컴파운드를 분말화하는 파쇄 단계, 분말화 된 상기 고무 컴파운드를 제1 용매에 용해시키는 용해 단계 및 상기 용해 단계의 결과물을 건조하는 건조 단계를 포함하는 액상 고무 컴파운드의 제조방법이다.
이하에서는, 도면을 참고하여 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 액상 고무 컴파운드의 제조방법에서 파쇄 단계 이후의 고무 컴파운드를 나타낸 사진이다.
본 발명에 따른 파쇄 단계는 고무 컴파운드를 분말의 형태로 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고무 컴파운드는 원료고무 및 보강성 충진제를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 고무 컴파운드는 원료고무 100 중량부, 상기 원료고무 100 중량부에 대하여 보강성 충진제 0 내지 120 중량부를 포함할 수 있다. 상기 보강성 충진제의 함량이 상기 범위를 초과할 경우 컴파운드내 충진제의 국소부위의 응집 및 이에 따른 프린팅 시 노즐에서의 충진재의 응집 등으로 인해 프린팅이 불가능한 문제가 생길 수 있다.
상기 원료고무는 천연고무, 합성고무 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 천연고무는 일반적인 천연고무 또는 변성 천연고무일 수 있다. 상기 일반적인 천연고무는 천연고무로서 알려진 것이면 어느 것이라도 사용될 수 있고, 원산지 등이 한정되지 않는다. 상기 천연고무는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하지만, 요구 특성에 따라서 트랜스-1,4-폴리이소프렌을 포함할 수도 있다. 따라서, 상기 천연고무에는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하는 천연고무 외에, 예컨대 남미산 사포타과의 고무의 일종인 발라타 등, 트랜스-1,4-이소프렌을 주체로서 포함하는 천연고무도 포함할 수 있다.
상기 변성 천연고무는, 상기 일반적인 천연고무를 변성 또는 정제한 것을 의미한다. 예컨대, 상기 변성 천연고무로는 에폭시화 천연고무(ENR), 탈단백 천연고무(DPNR), 수소화 천연고무 등을 들 수 있다.
상기 합성고무는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 변성 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무(BR), 변성 부타디엔 고무 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 보강성 충진제는 실리카, 카본블랙 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나에 해당할 수 있다.
본 발명에 따른 고무 컴파운드는 상기 보강성 충진제의 분산성 향상을 위하여 커플링제를 더 포함할 수 있다. 상기 커플링제는 설파이드계 커플링제, 머캅토계 커플링제, 비닐계 커플링제, 아미노계 커플링제, 글리시독시계 커플링제, 니트로계 커플링제, 클로로계 커플링제, 메타크릴계 커플링제 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 고무 컴파운드는 선택적으로 추가적인 가류제, 가류촉진제, 노화방지제, 연화제 등의 각종의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 각종의 첨가제는 본 발명이 속하는 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 이들의 함량은 통상적인 타이어 트레드용 고무 조성물에서 사용되는 배합비에 따르는 바, 특별히 한정되지 않는다.
상기 가류제는 유황계 가류제, 유기 과산화물, 수지 가류제, 산화마그네슘 등의 금속산화물을 사용할 수 있다.
상기 가류촉진제는 가황 속도를 촉진하거나 초기 가황 단계에서 지연작용을 촉진하는 촉진제(Accelerator)를 의미한다.
상기 가류촉진제로는 술펜아미드계, 티아졸계, 티우람계, 티오우레아계, 구아니딘계, 디티오카르밤산계, 알데히드-아민계, 알데히드-암모니아계, 이미다졸린계, 크산테이트계 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 파쇄 단계는 냉각제를 이용하여 상기 고무 컴파운드를 냉각시키는 냉각 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 냉각제는 액화 질소, 액화 헬륨, 액화 산소, 액화 수소, 액화 네온으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상에 해당할 수 있다.
상기 고무 컴파운드를 상기 냉각제에 1초 내지 3 분 동안 담가 둠으로써 상기 고무 컴파운드는 냉각될 수 있고, 바람직하게는 30초 내지 1 분 동안 담가두는 것이 바람직하다. 상기 시간 범위 미만일 경우, 고무 컴파운드가 충분히 냉각되지 않아 반응 속도가 느려질 수 있고, 상기 시간 범위를 초과할 경우, 냉각제 확산에 따른 고무 컴파운드의 조성 변화의 문제가 생길 수 있다.
상기 냉각 단계를 통해, 상기 고무 컴파운드는 1 초 내지 30 초 내로 분쇄가 가능할 정도로 경화될 수 있다.
상기 냉각 단계를 통해 본 발명에 따른 고무 컴파운드는 경화될 수 있고, 경화된 고무 컴파운드는 분쇄기에 의해 분말 형태로 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기 분쇄기는 일반적으로 사용하는 가정용 분쇄기에 해당할 수 있다. 다만 본 발명의 기술적 사상은 분쇄기의 종류에 제한되는 것은 아니고, 상기 고무 컴파운드를 분말 형태로 파쇄할 수 있는 분쇄기면 모두 가능할 수 있다.
분말화 된 고무 컴파운드의 평균 입도는 20 μm(마이크로미터) 내지 3 mm(밀리미터)에 해당할 수 있고, 바람직하게는 100 μm(마이크로미터) 내지 500 μm(마이크로미터)에 해당할 수 있다. 상기 고무 컴파운드의 평균 입도가 상기 수치 범위 미만일 경우 경화상태 유지에 문제가 생길 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 용매 내에서 용해가 되지 않는 문제가 생길 수 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 고무 컴파운드는 균일하게 분말화 된 상태에 해당할 수 있다.
본 발명에 따른 용해 단계는, 분말화 된 고무 컴파운드를 제1 용매에 용해시키는 단계에 해당할 수 있다.
상기 용해 단계는 교반기를 이용하여 5 내지 70 ℃에서 5 내지 120 시간 동안 분말화 된 고무 컴파운드와 제1 용매를 교반하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 15 내지 50℃에서 24 내지 96 시간 동안 교반하는 것이 바람직하다. 상기 온도 범위 및 시간 범위를 벗어날 경우 용해가 잘 되지 않는 문제가 생길 수 있다.
상기 교반기를 이용하여 분말화 된 고무 컴파운드와 상기 제1 용매를 교반하는 교반기의 속도는 50 내지 1000 RPM에 해당할 수 있고, 바람직하게는 400 내지 600 RPM에 해당할 수 있다. 상기 교반기의 속도 범위가 상기 수치 범위 미만일 경우, 용해도와 균일성에 문제가 생길 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 고무 컴파운드 및 용매의 용기에서의 이탈 등의 문제가 생길 수 있다.
구체적으로, 분말화 된 고무 컴파운드와 제1 용매의 중량비는 5: 95 내지 30:70에 해당할 수 있고, 바람직하게는 7:93 내지 13:87에 해당할 수 있다. 상기 분말화 된 고무 컴파운드와 상기 제1 용매의 중량비가 상기 중량비 범위를 벗어난 경우 용해에 문제가 생길 수 있다.
상기 제1 용매는 사이클로헥세인(Cyclohexane), 톨루엔(Toluene), 1,4-다이옥세인(1,4-Dioxane), 다이부틸아민(Dibutylamine), 테레빈유(Turpentine), 자일렌(Xylene)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 용해 단계의 결과물을 나타낸 사진이다. 도 2에 도시된 것처럼, 분말화 된 고무 컴파운드는 액상 고무 컴파운드로 바뀔 수 있다. 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 액상 고무 컴파운드의 제조방법으로 제조된 액상 고무 컴파운드를 3D 프린터의 디스펜서에 주입한 뒤 프린팅한 샘플을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 건조 단계는 퓸 후드(Fume hood)를 이용해서 수행될 수 있고, Air flow는 1.5 m/s 내지 그 이상에서 해당함이 바람직하다. 다만 본 발명의 기술적 사상이 상기 용해 단계의 결과물을 건조하는 장비에 제한되는 것은 아니고 다양한 건조 장비가 이용될 수 있다.
상기 용해 단계의 결과물은 상기 ?v 후드의 내부에서 150 내지 180 시간 동안 건조될 수 있고, 바람직하게는, 160 내지 175 시간 동안 건조되는 것이 바람직하다. 상기 시간 범위 미만일 경우 상기 용해 단계의 결과물은 충분히 건조가 되지 않아, 3D 프린터에 적용 가능한 유변 물성을 확보하지 못할 수 있고, 상기 시간 범위를 초과할 경우 에도 동일한 문제가 생길 수 있다. 상기 건조의 목적은 단순히 건조가 아닌 용해된 고무 컴파운드의 농도를 조절하여 3D 프린팅에 적절한 유변 물성을 확보함에 있다. 추가로, 용해된 고무 컴파운드의 양에 따라 건조시간은 상이할 것이다. 따라서 용매와 고무컴파운드의 무게 변화를 측정하여 고무컴파운드의 비율이 40% 되는 지점에 건조공정을 끝내야한다.
상기 건조 단계는 0 내지 70℃에서 수행되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15 내지 50 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 건조 단계의 온도 범위가 상기 수치 범위를 벗어날 경우, 건조 시간의 감소 및 증가 등의 문제가 생길 수 있다. 본 발명에서의 액상 컴파운드의 제조를 위한 표준공정을 정립하기 위하여 고무 컴파운드의 중량 및 그에 따른 건조 시간, 온도 조건을 탐색하는 연구가 수행되어야 할 것이다.
분말화 된 고무 컴파운드를 상기 제1 용매에 용해시킬 경우, 용액 내부에 미세한 기포가 생길 수 있다. 이를 막기 위해, 본 발명에 따른 건조 단계는 상기 용해 단계의 결과물 내의 기포를 제거하는 기포제거단계를 더 포함할 수 있다.
상기 용해 단계의 결과물 내의 기포를 제거하는 기포제거단계는 진공 또는 가압 분위기에서 진행될 수 있고, 가압 분위기에서 진행될 경우 50 bar 이상의 압력 조건에서 진행될 수 있다. 바람직하게는 50 bar 내지 70 bar 압력 조건에서 상기 결과물 내의 기포를 제거하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 압력 범위를 초과할 경우, 형상 무너짐의 문제가 생길 수 있다.
상기 액상 고무 컴파운드와 상기 제1 용매와의 중량비는 30:70 내지 50:50에 해당할 수 있고, 바람직하게는 40:60 내지 45:55에 해당함이 바람직하다. 상기 액상 고무 컴파운드 및 상기 제1 용매와의 중량비가 상기 수치 범위를 벗어날 경우 3D 프린팅이 안되거나 적층이 안되는 문제가 생길 수 있다.
도 4a는, 천연 고무와 카본 블랙으로 제조한 고무 컴파운드를 사이클로헥세인 용매에 용해시켜 제조한 액상 고무 컴파운드와, 스티렌-부타디엔 고무와 실리카로 제조한 고무 컴파운드를 사이클로헥세인 용매에 용해시켜 제조한 액상 고무 컴파운드 각각의, 전단 변화율(Shear rate)에 따른 점도(mPas) 변화를 비교한 그래프이다.
상기 건조 단계를 통해, 본 발명에 따른 액상 고무 컴파운드는 3D 프린터에 적용 가능할 수 있는 유변 특성을 갖출 수 있다. 구체적으로, 3D 프린터에 적용 가능하기 위해서는 다음과 같은 유변 특성을 만족해야 한다. 첫째로, 전단 변화율(Shear rate)이 증가함에 따라 점성이 감소되어야 하고, 둘째로, 특정 전단 응력(Shear stress) 이상에서 스토리지 모듈러스(G') 값이 로스 모듈러스(G'')보다 작아야 한다.
상기 스토리지 모듈러스(Storage modulus) 또는 저장 탄성률은 변형 에너지가 응력으로서 물질의 내부에 축적되는 성분으로 그 물질의 탄성 성분을 나타내고, 상기 로스 모듈러스 또는 손실 탄성률은 물질에 부여된 에너지가 열 등의 다른 에너지로 변환되어서 손실되는 성분으로 그 물질의 점성 성분을 나타낸다.
도 4a를 참고하면, 실시예 1 및 2는 다음과 같은 조성으로 제조하였다.
<실시예 1>
천연고무 및 천연고무 100 중량부에 대하여, 카본블랙 50 중량부를 포함하는 액상 고무 컴파운드를 제조하였다. 구체적으로 상기 천연고무는 구체적으로 SIR-20 에 해당한다. 실시예 1에 따른 고무 컴파운드 및 용매인 사이클로헥세인과의 중량비는 60: 40에 해당한다.
상기 카본블랙은 OAN(Oil Absorption Number) 값과 겉보기 비중이 각각 85 내지 97 cc/100g 그리고 370 내지 470 kg/m2에 해당할 수 있다.
<실시예 2>
스티렌-부타디엔 고무 및 스티렌 부타디엔 고무 100 중량부에 대하여, 실리카 75 중량부를 포함하는 액상 고무 컴파운드를 제조하였다. 상기 실리카의 질소 흡착 비표면적은 160 내지 190 m2/g에 해당하고, 상기 실리카의 CTAB(Cetyltrimethylammonium bromide)는 148 내지 172 m2/g에 해당한다.
실시예 2에 따른 고무 컴파운드 및 용매인 사이클로헥세인과의 중량비는 60: 40에 해당한다.
도 4a에 도시된 것처럼, 실시예 1 및 2는 전단 변화율이 클수록 점도가 감소하는 비 뉴턴(Non-Newtonian) 유체에 해당한다. 상기 비뉴턴 유체는 뉴턴의 점성 법칙, 즉 응력과 무관하게 일정한 점도를 따르지 않는 유체에 해당한다. 비 뉴턴 유체에서 점도는 힘이 가해지는 정도에 의해 더 액체 또 더 고체로 변화할 수 있다.
그래프에 도시된 것처럼, 실시예 1 및 2에 따른 액상 고무 컴파운드는 전단 변화율이 0.01s-1에서 100s-1으로 변화함에 따라, 점도는 108 mPa·s에서 103 mPa·s로 변화한다.
따라서, 실시예 1 및 2는 비 뉴턴 유체에 해당함으로써, 상기 유변 특성의 첫째 조건을 만족하게 된다.
도 4b는 천연 고무와 카본 블랙으로 제조한 고무 컴파운드를 사이클로헥세인 용매에 용해시켜 제조한 액상 고무 컴파운드와 스티렌-부타디엔 고무와 실리카로 제조한 고무 컴파운드 각각의 전단 응력(Pa, shear stress)에 따른 스토리지 모듈러스(Pa, Storage modulus) 및 전단 응력(Pa, shear stress)에 따른 로스 모듈러스(Pa, Loss modulus)의 변화를 비교한 그래프이다.
도 4b를 참고하면, 실시예 1 및 2에 따른 액상 고무 컴파운드의 전단 응력에 대한 모듈러스를 레오미터 장비를 이용하여 Amplitude Sweep Test를 수행하였다. 구체적으로, 테스트 조건으로 Angular frequency는 10rad/s에 해당한다.
도 4b에 도시된 것처럼, 실시예 1 및 2의 스토리지 모듈러스(G')는 전단 응력이 증가함에 따라 모두 감소하고, 실시예 1 및 2의 로스 모듈러스(G'')는 전단 응력이 증가함에 따라 모두 감소한다.
특히, 실시예 1 및 2에 따른 액상 고무 컴파운드의 스토리지 모듈러스(G')는 전단 응력이 103 Pa 이하에서, 로스 모듈러스(G'')보다 크지만, 전단 응력이103 Pa 내지 104 Pa에서 로스 모듈러스(G'')는 스토리 모듈러스(G')보다 커지게 된다.
따라서, 실시예 1 및 2는 상기 유변 특성의 둘째 조건을 만족하게 됨으로써, 상기 유변 특성을 모두 만족하게 된다.
본 발명에 따른 액상 고무 컴파운드는 상기 유변 특성을 만족하게 됨으로써, 에멀션(Emulsion) 형태에 해당할 수 있다. 상기 에멀션은 액상 고무 컴파운드는 제1 용매에 작은 방울처럼 퍼져있는 용액 상태에 해당할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 전술한 액상 고무 컴파운드의 제조방법으로 제조된 제1 액상 고무 컴파운드를 제1 디스펜서에 주입하는 제1 주입 단계 및 상기 제1 디스펜서와 연결된 제1 노즐로 상기 제1 액상 고무 컴파운드를 토출하는 제1 방출 단계를 포함하는, 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법에 해당할 수 있다.
상기 3D 프린터는 디스펜싱 기반 3D 프린터에 해당할 수 있다. 상기 디스펜싱 기반 3D 프린터는 일반적으로 프린팅 하고자 하는 소재를 디스펜서에 넣고 마이크로 노즐을 통해 토출하는 방식으로 구조물을 제작하는 장치에 해당한다. 즉, 상기 디스펜싱 기반 3D 프린터는 액상을 배출하고 배출된 액상을 경화하여 3차원 형상의 제품을 조형하는 3D 프린터에 해당한다.
구체적으로, 3D 프린터는 3차원 정보를 캐드 등으로 입력하고, 입력된 정보를 기초로 3차원 형상의 시제품을 조형하므로 어떠한 제품 형상도 조형할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 3D 프린터는 제1 디스펜서 및 상기 제1 디스펜서와 연결된 제1 노즐을 포함할 수 있다. 상기 제1 노즐은 전술한 제조방법으로 제조된 제1 액상 고무 컴파운드를 토출할 수 있다.
상기 제1 노즐의 직경은 0.2 내지 1 mm(밀리미터)에 해당함이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.4 내지 0.6 mm(밀리미터)에 해당함이 바람직하다. 상기 제1 노즐의 직경 범위가 상기 수치 범위 미만일 경우 노즐에서의 토출에 문제가 생길 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 정밀도에 문제가 생길 수 있다.
상기 3D 프린터에서 상기 제1 노즐의 개수는 1개 내지 500 개에 해당할 수 있고, 바람직하게는 1 개 내지 10개에 해당함이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 전술한 액상 고무 컴파운드의 제조방법으로 제조된 제1 액상 고무 컴파운드를 제1 디스펜서에 주입하는 제1 주입 단계 및 상기 제1 디스펜서와 연결된 제1 노즐로 상기 제1 액상 고무 컴파운드를 토출하는 제1 방출 단계와, 제2 액상 고무 컴파운드를 제2 디스펜서에 주입하는 제2 주입 단계 및 상기 제2 디스펜서와 연결된 제2 노즐로 상기 제2 액상 고무 컴파운드를 토출하는 제2 방출 단계를 포함하는, 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법일 수 있다.
상기 제1 및 제2 디스펜서는 서로 다른 구성요소에 해당하고, 서로 다른 액상 고무 컴파운드를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 디스펜서는 상기 제1 디스펜서와 대응될 수 있다. 따라서, 상기 제2 액상 고무 컴파운드는 상기 제1 액상 고무 컴파운드와 다를 수 있다.
상기 제2 노즐은 상기 제2 디스펜서와 연결되어 상기 제2 액상 고무 컴파운드를 토출할 수 있다. 또한, 상기 제2 노즐은 상기 제1 노즐과 대응되고, 서로 다를 수 있다.
상기 제2 노즐의 직경은 0.2 내지 1 mm(밀리미터)에 해당함이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.4 내지 0.6 mm(밀리미터)에 해당함이 바람직하다. 상기 제2 노즐의 직경은 상기 제1 노즐의 직경과 같거나 다를 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 액상 고무 컴파운드의 제조방법 및 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법을 이용할 경우 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
첫째, 비공기입 타이어 스포크 또는 공기입 타이어의 케이스와 결합되어 타이어 트레드 부분만 적층 제조할 경우, 타이러를 교체하기 위해 인력이 최소화될 수 있다.
둘째, 현재 타이어의 복잡한 제조공정 대신, 여러 번 사용 가능한 케이스 혹은 비공기입 타이어의 스포크 위에 본 발명에 따른 액상 고무 컴파운드를 이용하여 타이어를 적층 제조하게 된다면, 전통적인 타이어의 제조 공정이 획기적으로 단순화되어 비용 및 시간이 절약될 수 있다. 특히, 타이어의 트레드 부분에 패턴을 새기기 위한 몰드가 필요 없어지기 때문에 비용 또한 크게 감소할 것이다. 추가적으로, 타이어 완제품을 운송할 필요 없이 본 발명에 따른 액상 고무 컴파운드를 쉽게 운송함으로써 운송 효율을 가져올 것이다.
셋째, 기존의 타이어 제조 공정과 달리, 액상 고무 컴파운드는 보관이 용이하기 때문에 보관 효율이 증대될 수 있다.
넷째, 기존의 타이어 제조 공정에서 패턴을 새기기 위해 금속제의 몰드가 사용되고 이로 인해 구현될 수 있는 패턴에 한계점이 존재한다. 본 발명에 따른 액상 고무 컴파운드의 제조방법을 적용한 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법을 이용할 경우, 스포크 혹은 케이스 위에 바로 고무를 적층하여 형상을 만들기 때문에 구현할 수 있는 패턴의 제약은 사라지게 된다. 추가적으로, 타이어의 목적이나 계절에 따라 패턴의 변경이 가능할 것이다.
다섯째, 기존의 타이어 제조 공정과 달리, 액상 고무 컴파운드를 제조하여 타이어 제조에 활용한다면 패턴에 따라 필요한 만큼 적층 제조가 가능하기 때문에 소재 사용의 효율성이 증대될 수 있다. 구체적으로, 기존의 타이어 제조공정은 압연 공정을 통해 생산된 시트 고무를 재단하고 성형하여 반제품을 만드는 공정을 포함한다. 이 때 압연되어 나온 시트 고무를 치수에 맞추어 재단하면 필연적으로 Recoup이 생기는 문제점이 발생하였다. 이를 해결하기 위해, 본 발명은 액상의 고무 컴파운드를 제조하여 3D 프린터에 적용함으로써 패턴에 따라 필요한 만큼만 적층 제조할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

Claims (12)

  1. 고무 컴파운드를 냉각제를 이용하여 냉각시키는 단계;
    상기 고무 컴파운드를 분말화하는 파쇄 단계;
    분말화 된 상기 고무 컴파운드를 제1 용매에 용해시키는 용해 단계; 및
    상기 용해 단계의 결과물을 건조하는 건조 단계를 포함하는
    액상 고무 컴파운드의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    분말화 된 상기 고무 컴파운드와 상기 제1 용매의 중량비는 5:95 내지 30:70 인 액상 고무 컴파운드의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 용매는, 사이클로헥세인(Cyclohexane), 톨루엔(Toluene), 1,4-다이옥세인(1,4-Dioxane), 다이부틸아민(Dibutylamine), 테레빈유(Turpentine), 자일렌(Xylene)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 액상 고무 컴파운드의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 건조 단계는, 0 내지 70℃에서 수행되는 액상 고무 컴파운드의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액상 고무 컴파운드와 상기 제1 용매의 중량비는 30:70 내지 50:50 인 액상 고무 컴파운드의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각제는 액화 질소, 액화 헬륨, 액화 산소, 액화 수소, 액화 네온으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 액상 고무 컴파운드의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고무 컴파운드는,
    원료고무 100 중량부 및
    보강성 충진제 0 내지 120 중량부를 포함하는 액상 고무 컴파운드의 제조방법.
  9. 제1항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 액상 고무 컴파운드의 제조방법으로 제조된 제1 액상 고무 컴파운드를 제1 디스펜서에 주입하는 제1 주입 단계; 및
    상기 제1 디스펜서와 연결된 제1 노즐로 상기 제1 액상 고무 컴파운드를 토출하는 제1 방출 단계를 포함하는,
    3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 노즐의 직경은 0.2 내지 1밀리미터(mm)인, 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    제2 액상 고무 컴파운드를 상기 제1 디스펜서와 대응되는 제2 디스펜서에 주입하는 제2 주입 단계 및
    상기 제2 디스펜서와 연결된 제2 노즐로 상기 제2 액상 고무 컴파운드를 토출하는 제2 방출 단계를 더 포함하는,
    3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 액상 고무 컴파운드는 상기 제1 액상 고무 컴파운드와 다른, 3D 프린터를 이용한 타이어의 제조방법.

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