KR102516735B1 - 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스틱형 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치의 제어 방법에 관한 것으로서, 정밀 볼 스크루 기반의 액추에이터(actuator)의 길이 방향을 따라 가변 지지부를 슬라이드 이동시키는 단계; 액추에이터에 의해 가변 지지부의 일측면에 고정되어 나노미터 단위로 움직임이 제어되는 재료스틱압축봉을 Z축 방향으로 수직 운동시키는 단계; 및 재료스틱압축봉을 이용하여 용융노즐에 장착되는 재료스틱을 가압함과 동시에 재료스틱의 일 측을 용융시키는 용융부에 의해 용융된 상태의 재료를 토출시키는 단계; 재료스틱은 금속 및 세라믹 분말이 함유된 조성물을 바(Bar) 형태로 형성한 스틱일 수 있다.

Description

세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치{A THREE DIMENSIONAL PRINTING APPARATUS USING CERAMIC MATERIAL}
본 발명은 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도 재료스틱의 압출량을 미세하게 조정하여 3차원 프린팅을 수행함으로써 제품의 신뢰성이 향상된 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치에 관한 것이다.
3차원(3D, 3-Dimension) 프린팅 장치는 인쇄하고자 하는 대상에 대한 3차원 데이터를 이용하여, 그 대상과 동일 또는 유사한 형태를 갖도록 3차원으로 형상물을 성형하는 장비이다. 3차원 프린팅은 다양한 분야에서 사용이 확산되어 가고 있다. 이러한 3차원 프린팅 장치는 과거에는 대량생산 이전의 모델링이나 샘플 제작과 같은 용도로 활용되었으나, 최근에는 다품종 소량생산 제품을 중심으로 양산 가능한 제품의 성형에도 사용될 수 있는 기술적 기반이 조성됨에 따라, 다수의 부품으로 구성된 자동차 분야 외에도 의료용 인체모형이나 칫솔이나 면도기와 같은 가정용 제품 등의 다양한 모형을 만들기 위한 용도로 많은 제조 업체에서 사용하고 있다.
3차원 프린팅 장치의 제품성형 방식은 크게 대상물체를 2차원의 평면형태로 성형한 것을 3차원으로 적층하면서 용융부착하여 형태를 만들어가는 이른바 첨가형과, 원료덩어리를 조각하듯이 절삭해서 형태를 만들어가는 절삭형이 있다. 그리고, 첨가형의 일종으로 열가소성 플라스틱으로된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송롤을 통해 공급하고, 공급된 필라멘트를 작업대에 대하여 상대적으로 XYZ 세 방향으로 위치조절되는 3차원 이송기구에 장착된 용융노즐의 노즐에서 용융시켜 배출함으로써 프린트 층(2차원 평면형태)을 베이스 플레이트 상에 반복적으로 적층하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상을 갖는 제품을 성형하는 필라멘트 용융 적층 성형방법이 있다.
그러나, 종래에 사용되던 3차원 성형방식은 상술한 바와 같이 플라스틱 원료를 이용하기 때문에 고강도성과 높은 정밀도를 요하는 금속 부품과 같은 강(鋼)제품을 성형하기에는 접합하지 아니하다는 한계가 존재한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물을 원료로 하는 고강도의 재료스틱을 압출함으로써 작업속도를 향상시켜 생산성이 향상된 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치 및 그의 정밀 압출 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 정밀 볼 스크루 기반의 액추에이터를 이용하여 수 나노미터(nm) 단위로 재료스틱압축봉의 움직임을 제어함으로써 정밀도가 향상된 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치 및 그의 정밀 압출 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 재료스틱압축봉의 압력을 제어하여 재료스틱의 압출량을 미세하게 조정함으로써 프린트 층 적층 시, 크랙(crack)을 최소화하고 제품의 신뢰성이 향상된 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치 및 그의 정밀 압출 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치는 액추에이터(actuator)의 길이 방향을 따라 슬라이드 이동 가능한 가변 지지부; 액추에이터에 의해 나노미터 단위로 움직임이 제어되고 가변 지지부의 하측에 고정되며 하부 방향으로 일정 길이만큼 연장되어 용융노즐에 장착되는 재료배럴 내에 삽입된 재료스틱을 가압하는 재료스틱압축봉; 및 용융노즐의 상단에 배치되어 재료스틱의 일 측 선단을 융용시키는 용융부를 포함하고, 재료스틱압축봉에 의해 가압되는 재료스틱은 단위면적당 일정량의 재료스틱이 압출되도록 압출할 3차원 대상의 외주면을 따라 움직이는 용융노즐의 속도 및 재료스틱의 압출량을 제어하며, 외주면의 곡선구간에서 재료스틱의 압축속도는 외주면의 직선구간에서 재료스틱의 압축속도 보다 느리게 설정된다. 이에, 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물을 원료로 하는 바(Bar) 형태의 재료스틱을 압출하여 작업 속도를 높이고 생선성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 압출량은 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다. [수학식]
Figure 112020022631639-pat00001
(여기서, de는 재료스틱의 지름, le는 압출 거리, ds는 압출된 재료의 폭, ls는 압출된 재료의 길이를 나타냄)
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 용융부에서 발생한 열이 상부 방향으로 이동하는 것을 방지하는 방열부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 재료스틱은 금속 및 세라믹 분말과 고분자 바인더로 구성되는 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물을 포함하고, 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물을 160℃ 이상의 온도에서 혼련하여 바(bar) 형태로 제조한 재료스틱을 용융노즐에 장착할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 금속 및 세라믹 분말은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 고분자 바인더는 결합제, 가소제 및 윤활제를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 재료스틱은. 용융부에 의해 용융노즐 방향에 위치한 일 측은 반고체 상태이고 타 측은 고체 상태일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 재료스틱압축봉에 의해 재료스틱을 압출하지 않고 3차원 프린팅 장치 압출 헤드를 X축 또는 Y축으로 이동시키는 경우, 재료스틱압축봉을 리트렉션(Retraction)하여 재료스틱압축봉의 위치가 상부방향으로 이동하도록 조절하고, 재료스틱압축봉은 재료스틱이 용융노즐 내측으로 이동한 거리보다 많이 이동하도록 조절할 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치의 정밀 압출 제어 방법은 액추에이터(actuator)에 의해 나노미터 단위로 움직임이 제어되는 가변 지지부가 액추에이터의 길이 방향을 따라 슬라이드 이동함에 따라 가변 지지부의 하측에 고정된 재료스틱압축봉이 용융노즐에 장착된 재료배럴 내에 삽입된 재료스틱을 가압하는 단계; 용융부에 의해 용융노즐에 장착된 재료스틱의 일 측 선단을 가열하여 용융시키는 단계; 및 용융된 재료스틱을 용융노즐의 하부방향으로 압출하는 단계; 및 재료스틱을 압출한 후 재료스틱압축봉을 리트렉션(Retraction)하는 단계를 포함하고, 재료스틱의 압출량은 하기 수학식을 기초로 산출된다. [수학식]
Figure 112020022631639-pat00002
(여기서, de는 재료스틱의 지름, le는 압출 거리, ds는 압출된 재료의 폭, ls는 압출된 재료의 길이를 나타냄) 이에, 재료스틱압축봉의 압력을 제어하여 재료스틱의 압출량을 미세하게 조정함으로써 프린트 층 적층 시 크랙을 최소화하고 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 재료스틱을 압출한 후 재료스틱압축봉을 리트렉션(Retraction)하는 단계는 3차원 프린팅 장치 압출 헤드를 X축 또는 Y축으로 이동시키는 경우에 재료스틱압축봉의 압력을 해제하고,
재료스틱압축봉의 압력을 해제함에 따라 재료스틱압축봉이 상부 방향으로 이동한 거리가 재료스틱이 용융노즐 내측으로 이동한 거리보다 길도록 조절할 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물을 원료로 하는 바(Bar) 형태의 재료스틱을 3차원 프린팅에 이용함으로써 작업 속도를 높이고 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 액추에이터를 이용하여 수 나노미터(nm) 단위로 재료스틱압축봉의 압출량을 제어함으로써 3차원 구조물의 외곽 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 재료스틱압축봉의 압력을 제어하여 재료스틱의 압출량을 미세하게 조정함으로써 프린트 층 적층 시 크랙을 최소화하고 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물을 이용하여 3차원 프린팅을 수행하는 3차원 프린팅 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 압출 헤드를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 압출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재료스틱의 압출량 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 압출 유무 판별 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 방열부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 리트렉션(Retraction) 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 비교예와 실시예를 비교하기 위해 나타낸 도면이다.
이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 이하의 설명에서 제1, 제2 등과 같은 서수식 표현은 서로 동등하고 독립된 객체를 설명하기 위한 것이며, 그 순서에 주(main)/부(sub) 또는 주(master)/종(slave)의 의미는 없는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
이하에서는, 도 1 내지 도 2를 참조하여 3차원 프린팅 장치의 구성 및 동작에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물을 이용하여 3차원 프린팅을 수행하는 3차원 프린팅 과정을 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 압출 헤드를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 금속 또는 세라믹 분말(20a) 및 고분자 바인더(20b)를 혼련기(Kneading machine, 500)를 통해 고온으로 균질하게 혼련한 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물(30)을 바(Bar) 형태를 갖는 재료스틱(151)으로 제조한다.
이렇게 제조된 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물(30)은 3차원 인쇄 방식으로 적층되어 강(鋼)제품(50)을 제조하기 위해 사용되는 공급 원료로서 압출 헤드(100)의 용융노즐(172)로 공급된다. 여기서, 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물(30)을 바 형태로 제조한 재료스틱(151)이 압출 헤드(100)의 용융노즐(172)에 원할하게 공급될 수 있도록 용융부(171) 및 재료스틱압축봉(140)에 의해 용융 및 가압 사출되어 용융노즐(172)로 공급되는 것이 바람직하다.
용융노즐(172)로 공급된 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물(30)은 핫멜트 접착제 건(gun)과 유사한 방식으로 베이스 플레이트(200)의 표면으로 토출되어 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린트 층이 연속적으로 적층됨으로써 반제품(半製品, 40)을 형성하게 된다.
이렇게 성형된 반제품(40)은 탈지부(300)에서 용매 및 열간 탈지 방식에 의해 고분자 바인더 성분이 제거되고, 소결부(400)에서 고온으로 소결된 후 상온까지 냉각되어 고밀도의 금속 소결체인 최종 강(製)제품(50)으로 추출되는 과정이 이루어진다.
금속 및 세라믹 분말 함유 조성물
본 발명에서 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물(30)를 구성하는 금속 및 세라믹 분말(20a)은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강(鋼) 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스강이 분체화(粉體化)된 금속 및 세라믹 분말을 이용한다. 여기서, 오스테나이트계 스테인레스강은 Cr-Ni계 스테인레스강으로도 불리며, Fe에 Cr과 Ni을 첨가한 것이다. 다시 말해, 오스테나이트계 스테인레스강의 주성분은 Fe, Cr, Ni로 이루어지고, 그 외에는 하기의 표 1에 나타내는 각종의 첨가물을 포함할 수 있다. 하기의 표 1은 본 발명에서 3차원 프린팅용 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물을 제조하기 위해 사용되는 금속 및 세라믹 분말의 성분인 오스테나이트계 스테이레스강의 바람직한 예를 나타낸 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
성분 C Si Mn Cr Ni Mo P S 기타
조성 1(질량%) 0.03
이하		 1.0
이하		 1.0
이하		 18 ~ 20 10 ~ 12 0.2
이하		 0.03
이하		 0.03
이하		 잔부 Fe 및
기타 불가피한 불순물
조성 2(질량%) 0.03
이하		 1.0
이하		 1.5
이하		 16 ~ 18 11 ~ 14 2 ~ 3 0.03
이하		 0.03
이하		 잔부 Fe 및
기타 불가피한 불순물
탄소(C) : 0.03중량％ 이하탄소(C)는 내식성을 개선하기 위해 첨가되는 크롬(Cr)과 반응하여, 입계에 크롬(Cr) 탄화물로서 석출하기(precipitate chromium carbide in the grain boundary) 때문에 내식성의 저하를 초래하는 경우가 있다. 따라서, 탄소(C)의 함유량은 적을수록 바람직하고, 탄소(C)가 0.03중량％ 이하이면, 내식성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 탄소(C)의 함유량은0.03중량％ 이하가 바람직하다.
규소(Si) : 1.0중량％ 이하
규소(Si)는 탈산을 위해 유효한 원소이며, 용제(溶製) 단계에서 첨가된다. 그러나 과잉하게 함유시키면 탈지 및 소결 후 추출된 강(鋼)제품이 경질화(causes hardening of the stainless steel sheet)하여, 연성이 저하되는(decrease ductility) 경우가 있기 때문에, 규소(Si)의 함유량은 1.0중량％ 이하가 바람직하다.
망간(Mn) : 1.5중량％ 이하
망간(Mn)은 불가피적으로 혼입된 황(S)과 결합하여, 스테인리스강에 고용(固溶)한 황(S)을 저감하는 효과를 갖고, 황(S)의 입계편석을 억제(suppresses segregation of sulfur at the grain boundary)하여, 탈지 및 소결 후 추출된 강(鋼)제품의 균열을 방지하는 데에(prevents cracking of the steel sheet during hot rolling) 유효한 원소이다. 그러나, 1.5중량％를 초과하여 첨가해도 첨가하는 효과의 증가는 거의 없다. 오히려, 과잉하게 첨가함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 망간(Mn)의 함유량은 1.5중량％ 이하가 바람직하다.
니켈(Ni) : 10 ~ 14중량％
니켈(Ni)은 오스테나이트상을 안정화시키는 원소이며, 오스테나이트계 스테인리스를 제조하는 경우에 첨가한다. 그 때, 니켈(Ni)의 함유량이 14중량％를 초과하면, 니켈(Ni)을 과잉하게 소비함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 니켈(Ni)의 함유량은 14중량％ 이하가 바람직하다.
몰리브덴(Mo) : 3중량％ 이하
몰리브덴(Mo)은 스테인리스강의 틈 부식 등의 국부 부식을 억제하는 데에 유효한 원소이다. 따라서, 강(鋼)제품이 가혹한 환경에서 사용되는 경우에는 몰리브덴(Mo)을 첨가하는 것이 유효하다. 그러나, 3중량％를 초과하여 첨가하면, 스테인리스강이 취화(embrittlement)되어 생산성이 저하되는 경우가 있고, 몰리브덴(Mo)을 과잉하게 소비함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 몰리브덴(Mo)의 함유량은 3중량％ 이하가 바람직하다.
인(P) : 0.03중량％ 이하
인(P)은 연성의 저하를 초래하기 때문에 낮은 쪽이 바람직하지만, 0.03중량％ 이하이면 연성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 인(P)의 함유량은 0.03중량% 이하가 바람직하다.
황(S) : 0.03중량％ 이하
황(S)은 망간(Mn)과 결합하여 황화망간(MnS)을 형성함으로써 내식성을 저하시키는 원소이며 낮은 쪽이 바람직하다. 0.03중량％ 이하이면 내식성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 황(S)의 함유량은 0.03중량％ 이하가 바람직하다.
잔부는 철(Fe) 및 불가피적 불순물이다.
본 발명에서, 표 1의 조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비를 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말은 입자직경(D50) 9.5 ~ 11㎛의 크기를 갖는 금속 및 세라믹 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 최종 완성품인 강(製)제품의 밀도를 높이고, 분말의 표면적이 작아 고분자 바인더 함량을 줄일 수 있으며 탈지가 원할하게 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 소결 시 균일한 수축을 유지하도록 하기 위해서, 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말은 구(球)형으로 분체화(粉體化)된 금속 및 세라믹 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말을 제조하는 방식은 액체화된(과열된) 오스테나이트계 스테인레스 금속 스트림을 미세한 액적(droplet)으로 비산(飛散)시키고 그 다음 입자직경(D50) 9.5 ~ 11㎛의 구형 고체입자로 냉각하는 분무 공정에 의해 제조될 수 있다.
조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비로 조성되고 9.5 ~ 11㎛의 입자직경(D50)으로 구형 분체화된 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말은 결합제, 가소제 및 윤활제를 포함하는 고분자 바인더와 혼련된다. 이때, 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물의 전체 중량에 대해 오스나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말이 90.0 ~ 94.0중량%로 포함되고, 고분자 바인더가 6.0 ~ 10.0중량%로 포함될 수 있다. 오스나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말이 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물의 전체 중량에 대해 90.0 중량% 미만이면, 후술하는 탈지 공정에 의해 다량의 고분자 바인더가 제거되어 반제품(40)의 형상이 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 유지되지 아니하고, 94.0 중량%를 초과하게 되면, 고분자 바인더가 소량으로 첨가되어 3차원 프린팅을 진행하기 위한 공급 원료로서의 응집력을 확보하기 어렵다.
결합제는 구형 분체화된 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말 간의 결합력이 낮아 3차원 프린팅 과정에서 필요한 응집력을 확보하기 위해 첨가되는 주쇄(backbone) 바인더로서, 폴리스틸렌(Polystyrene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene-vinylacetate), 에틸렌에틸아크릴레이트(Ethylene-ethylacrylate), 메틸메타아크릴레이트(Methal-methacrylate), 부틸메타아크릴레이트(Butyl-methacrylate)으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 공중합체가 포함할 수 있다. 특히, 오스나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말에 첨가되는 결합제로는 폴리에틸렌 공중합체인 것이 바람직한데, 폴리에틸렌 공중합체는 고온에서 제거되는 한편, 열간 탈지 공정을 거친 강(鋼)제품이 형상을 유지시킨다. 상기 폴리에틸렌 공중합체는 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 3 내지 5 중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
가소제는 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말과 결합제의 결합으로 응집된 조성물에 첨가되어 3D 프린팅 시 성형 가공을 용이하게 하는 유기물질로서, 마이크로크리스탈라인 왁스(Microcrystalline wax), 파라핀 왁스(Paraffin wax), 몬탄 왁스(Montan wax) 등이 이용될 수 있다. 특히, 본 발명에서는 가소제로서 비교적 저온에서도 고분자 바인더 간의 결합력을 낮춰 연성을 높일 수 있는 파라핀 왁스(Paraffin Wax)를 첨가한다. 상기 파라핀 왁스는 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 2.5 내지 3.5중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
윤활제는 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물이 원료 공급기 내에서 용융된 후 가압 사출 시에 표면 미끄럼성을 좋게 하여 공급 유도관을 경유하는 압출 헤드(100)로의 공급이 원할하게 이루지도록 첨가하는 성분으로서, 스테아린산(Stearic acid), 오레인산(Oleic acid), 팔미틴산(Palmitic acid), 리노레인산(Linolenic acid) 등이 이용될 수 있으나, 본 발명에서는 스테아린산을 첨가한다. 상기 스테아린산은 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 0.5 내지 1.5중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
상술한 조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비를 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말과, 고분자 바인더를 고분자 바인더에 포함된 결합제인 폴리에틸렌 공중합체가 완전히 용융되는 온도인 170℃의 고온에서 1시간 동안 균일하게 혼련한 후, 이를 상온까지 냉각한다. 이렇게 가열 혼련 후 냉각된 혼합물은 분쇄기 또는 펠렛타이저에서 분쇄되고 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화(造粒化)됨으로써, 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물이 최종적으로 제조된다.
3차원 프린팅 장치의 구성
본 발명의 3차원 프린팅 장치는 3축(X,Y,Z) 움직임을 기본으로 하는 프린터로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 3차원 프린팅 장치의 압출 헤드(100)는 재료스틱압축봉(140)을 제어하는 서보 모터(Servo Motor, 110), 액추에이터(120)의 길이 방향을 따라 상하로 슬라이딩 이동 가능한 가변 지지부(130), 액추에이터(120)에 의해 나노미터 단위로 움직임이 제어되고 가변 지지부(130)의 하측에 고정되며 하부 방향으로 일정 길이만큼 연장되어 융융노즐에 장착되는 재료배럴(150) 안에 삽입된 재료스틱(151)을 가압하는 재료스틱압축봉(140), 바(Bar) 형상의 재료배럴(150) 및 용융노즐(172)의 상단에 배치되어 재료스틱(150)의 일 측 선 단을 용융시키는 용융부(171)를 포함한다.
서보 모터(110)는 액추에이터(120)를 이용하여 재료스틱압축봉(140)을 정밀하게 제어하는 구성으로서, 컴퓨팅 장치로부터 위치 값을 전송받아, 액추에이터(120)에 고정된 가변 지지부(130)를 상하로 직선운동시킨다. 한편, 본 발명에서 서보 모터(110)는 스테핑 모터(Stepping Motor)일 수도 있다.
가변 지지부(130)는 액추에이터(120)에 의해 움직임이 나노미터(nm) 단위로 움직임이 제어되며, 하측에 고정된 재료스틱압축봉(140)의 움직임을 제어하는 구성이다. 후술하겠지만, 가변 지지부(130)가 Z축 방향으로 수직운동함에 따라 가변 지지부(130)에 고정된 재료스틱압축봉(140)이 수직운동하면서 하부에 위치한 재료배럴(150) 안에 삽입된 재료스틱(151)을 가압할 수 있다. 재료스틱(151)은 도 2에 도시하지는 않았지만, 후술할 도 7에 도시된 바와 같이 재료 배럴(151) 안에 삽입되어 있는 구성으로 이해되는 것이 바람직하다.
재료스틱압축봉(140)의 하단에는 하단부로 갈수록 폭이 좁아지는 용용노즐(172)이 배치된다. 여기서, 용융노즐(172)은 용융된 재료스틱(151)이 토출되는 노즐로서, 용융노즐(172)을 통해 용융된 재료스틱(151)이 베이스 플레이트(200)에 한 층씩 적층된다. 이때, 베이스 플레이트(200)에 토출된 재료스틱(151)이 적층됨에 따라 에어실린더(180)는 용융노즐(172)을 Z축 방향으로 이동시킬 수 있다. 본 명세서에서 재료스틱압축봉(140)이 용융노즐(172)에 장착된 재료배럴(150)안에 삽입된 재료스틱(151)을 가압하여 압출된 재료스틱(151)은 용융부(171)에 의해 용융된 상태의 재료가 토출된 것으로 이해되는 것이 바람직하다.
용융노즐(172)의 상단 즉, 용융노즐(172)과 재료배럴(150) 사이에는 용융노즐(172)에 장착된 재료스틱(151)의 일 측 선단을 가열하여 용융시키기 위한 용융부(171)가 배치된다. 보다 상세하게, 도 7을 참조하면, 용융노즐(172)의 상단에 위치한 용융부(171)에 의해 재료스틱(151)의 하단부가 가열되어 재료스틱(151)의 일 측은 반고체 상태(Semisolid-state)이고, 타 측은 고체 상태(Solid-state)일 수 있다. 도 7에서는 재료스틱(151)에 표시된 점선을 기준으로 하측은 반고체 상태, 상측은 고체 상태인 것으로 도시하였으나, 용융부(171)의 가열 영역이 도 7에 도시된 것 보다 더 국부적일 수 있다. 즉, 반고체 상태인 영역이 고체 상태인 영역보다 더 작을 수도 있다.
또한, 용융부(171)의 상단에는 용용부에서 발생한 열이 상부 방향으로 이동하는 것을 방지하기 위한 방열부(160)가 더 배치된다. 여기서, 방열부(160)는 방열팬과 방열판을 더 포함할 수 있다. 방열부(160)에 관련된 구체적인 내용은 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.
이하에서는, 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 압출 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재료스틱의 압출량 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 압출 유무 판별 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 방열부(160)를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 리트렉션(Retraction) 과정을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 액추에이터(120)에 의해 나노미터 단위로 가변 지지부(130)의 움직임을 제어한다(S310). 이어서, 가변 지지부(130)가 액추에이터(120)에 의해 Z축 방향으로 수직 운동함에 따라 가변 지지부(130)의 하측에 고정된 재료스틱압축봉(140)이 용융노즐(172)에 장착된 재료배럴(150) 안에 삽입된 재료스틱(151)을 가압한다(S320). 이어서, 용융부(171)에 의해 용융노즐(172)에 장착된 재료스틱(151)의 일 측 선단을 가열하여 용융시킨다(S330). 이어서, 용융된 재료스틱(151)을 용융노즐(172)의 하부방향으로 압출한다(S340). 마지막으로, 용융된 재료스틱(151)을 압출한 후 재료스틱압축봉(140)을 리트렉션(Retraction)한다(S350).
도 4a를 참조하면, 서보 모터(110)가 컴퓨팅 장치로부터 위치 값을 전송받기 전, 액추에이터(120)에 고정된 가변 지지부(130)는 Z축 방향으로 수직 이동하지 않으므로 재료스틱압축봉(140)과 재료배럴(150)은 서로 이격되어 배치된다. 즉, 도 4a에 도시된 상태는 압출 헤드(100)에서 재료가 압출되지 않는 상태를 나타낸 것이다.
도 4b를 참조하면, 서보 모터(110)가 컴퓨팅 장치로부터 위치 값을 전송받아 액추에이터(120)에 고정된 가변 지지부(130)가 Z축 방향으로 수직 이동하면서 재료스틱압축봉(140)이 재료스틱(151)을 가압한다. 이때, 재료스틱(151)은 용융노즐(172)에 장착되며, 용융노즐(172)의 상단에 위치한 용융부(171)에 의해 재료스틱(151)의 일 측 선단이 가열되어 용융되고, 용융된 재료스틱(151)은 재료스틱압축봉(140)의 압력에 따라 용융노즐(172)로 토출된다. 이에, 본 발명은 서보 모터(110)의 토크(Torque)를 실시간으로 확인함으로써 재료스틱압축봉(140)이 재료스틱(151)을 가압하여 용융된 재료스틱(151)이 용융노즐(172)을 통해 토출되고 있는지를 확인할 수 있다.
이때, 용융된 재료스틱(151)의 상대적인 압출량은 도 5에 도시된 바와 같이, 용융된 재료스틱(151)의 압출거리와 토출된 재료의 프린팅 거리에 기초하여 결정된다. 도 5에서 Material은 용융된 재료스틱(151)을 나타내고, Structure는 토출된 재료를 나타내며, 압출량은 하기의 수학식을 기초로 산출된다. 본 발명에서 압출량은 재료스틱압축봉(140)이 재료스틱(151)을 누르는 거리로 정의되는 것이 바람직하다.
[수학식]
Figure 112020022631639-pat00003
여기서, de는 용융된 재료스틱의 지름, le는 압출 거리, ds는 토출된 재료의 지름, ls는 압출된 재료의 길이를 나타낸다.
따라서, 본 발명은 용융노즐(172)의 프린팅 거리를 조절하여 재료의 압출량을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은 3D Controls프로그램(60, 본 발명의 자체 개발 프로그램)을 이용하여 재료스틱압축봉(140)의 X축, Y축, Z축, E축에 각각 걸리는 토크를 실시간으로 확인할 수 있다. 예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이, 재료스틱압축봉(140)의 E축에 토크가 약 5~20% (100W급 서보 모터 기준) 정도 발생할 때, 재료가 토출됨을 판단할 수 있다. 이때, 토크 값은 재료에 따라 달라질 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 재료스틱(151)이 용융부(171)에 의해 가열되어 용융되는 경우, 금속 및 세라믹 분말이 함유된 재료스틱(151)의 특성상 용융부(171)의 열이 위로 전달될 수 있다. 이에 따라, 재료스틱(151)의 상부로 전달된 열이 재료스틱(151) 전체를 용융시킬 수 있고, 이 경우 용융된 재료스틱(151)은 가장자리에 배치된 재료배럴(Barrel, 151)의 상단부를 통해 넘쳐 흐를 수가 있다.
따라서, 본 발명은 용융노즐(172) 상에 배치된 용융부(171)의 상측에 방열부(160)를 설치하여 압출 헤드(100)에 방열 설계를 함으로써, 재료스틱압축봉(140)을 리트렉션(Retraction)할 때에도 재료가 재료스틱압축봉(140)을 향해 거꾸로 치솟는 문제를 해결할 수 있다.
여기서, 재료스틱압축봉(140)의 리트렉션에 대해 보다 상세하게 설명하자면, 상대적으로 지름이 큰 재료스틱(150, 약 8mm)을 작은 지름의 노즐(약 0.4~0.6mm)로 압출하기 위해서는 큰 압력이 필요하다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 재료배럴(150) 내부에서 용융노즐(172) 근처에는 상당량의 압력이 유지되고, 재료를 압출하지 않은 상태에서 X축 또는 Y축으로 이동만 할 경우에는 이러한 상당량의 압력을 순간적으로 제거해야 한다. 다만, 이 경우에는 재료배럴(150) 내부에 남아있는 압력에 의해 용융된 재료스틱(151)이 재료배럴(150) 내에서 상승하게 된다.
다시 말해, 재료스틱압축봉(140)의 리트렉션 시, 재료스틱압축봉(140)의 압력이 해제됨에 따라 용융된 재료스틱(151)이 융용노즐로 빠져나가는 것보다 압력이 해제된 빈 공간으로 용융된 재료스틱(151)이 올라가는 것이 더 쉽기 때문에 용융된 재료가 재료배럴(150) 내에서 상승한다.
이에 따라, 재료스틱압축봉(140)의 리트렉션 시 재료스틱압축봉(140)의 압력이 해제됨에 따라, 용융된 재료스틱(151)이 상승하여 재료스틱압축봉(140)과 만날 수 있다. 이때, 용융된 재료스틱(151)이 재료스틱압축봉(140)과 만날 경우 용융된 재료스틱(151)이 다시 용융노즐(172)을 통해 하부방향으로 노출되어 크랙을 형성시키거나 구조물의 완성도를 저하시킬 수 있다.
이에, 재료스틱압축봉(140)을 리트렉션하는 단계(S350)에서는 3차원 프린팅 장치에서 재료를 압출하지 않은 상태에서 압출 헤드(100)를 X축 또는 Y축으로 이동만 시키고 재료스틱압축봉(140)의 압력을 해제한다.
따라서, 본 발명은 리트렉션 과정을 수행할 때, 재료스틱압축봉(140)이 상부 방향으로 이동한 거리(b)가 재료스틱(151)이 재료배럴(150) 내에서 상부 방향으로 이동한 거리(a)보다 길도록 재료스틱압축봉(140)의 위치를 조절함으로써 불필요한 재료의 압출을 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 비교예와 실시예를 비교하기 위해 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 90a 와 90b는 비교예에 따른 3차원 구조물이고, 90c는 실시예에 따른 3차원 구조물이다. 도 9의 90a 및 90b와 같이 굴곡이 생기는 부분에서 압출량을 조절하지 못한 비교예의 경우, 구조물의 외곽이 울퉁불퉁하게 적층된 것을 알 수 있다. 이에 반해, 도 9의 90c와 같이 굴곡이 생기는 부분에서 압출량을 조절한 실시예의 경우, 구조물의 외곽에 굴곡이 발생하지 않고 매끈하게 적층된 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 액추에이터(120)를 이용하여 수 나노미터(nm) 단위로 재료스틱압축봉(140)의 움직임을 제어함으로써 3차원 구조물의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 재료스틱압축봉(140)의 압력을 제어하여 재료스틱(151)의 압출량을 미세하게 조정함으로써 프린트 층 적층 시 크랙을 최소화하고 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물을 원료로 하는 바(Bar) 형태의 재료스틱(151)을 3차원 프린팅에 이용함으로써 작업 속도를 높이고 생선성을 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
20a: 금속 및 세라믹 분말 20b: 고분자 바인더
30: 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물
40: 반제품 50: 강제품
100: 압출 헤드 110: 서보 모터
120: 액추에이터 130: 가변 지지부
140: 재료스틱압축봉 150: 재료스틱
151: 재료배럴 160: 방열부
170: 노즐부 171: 용융부
172: 용융노즐 180: 에어실린더
200: 베이스 플레이트 300: 탈지부
400: 소결부 500: 혼련기

Claims (8)

  1. 3차원 대상 제작에 따라 Z축 방향으로 수직 이동하는 가변 지지부;와 상기 가변 지지부의 일측면에 고정되어 재료를 토출시키는 재료스틱압축봉; 상기 재료스틱압축봉의 하부에 일정 간격 이격되도록 배치된 재료배럴; 및 상기 재료배럴 내에 삽입되어 용융노즐 상에 장착되는 재료스틱을 포함하는 3차원 프린팅 장치에 있어서,
    상기 재료스틱압축봉을 리트렉션(Retraction)하는 경우, 상기 재료스틱압축봉의 압력을 해제하고, 상기 재료스틱압축봉의 압력을 해제함에 따라 상기 재료스틱압축봉이 상부 방향으로 이동한 거리가 상기 재료스틱이 상기 재료배럴 내에서 상부 방향으로 이동한 거리보다 길도록 상기 재료스틱압축봉의 위치를 조절하고,
    상기 재료스틱은 금속 및 세라믹 분말이 함유된 조성물을 바(Bar) 형태로 형성되며, 상기 금속 및 세라믹 분말은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말인, 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재료스틱압축봉의 움직임을 조정하여 단위 면적당 일정량의 재료가 토출되도록 상기 재료스틱압축봉은 액추에이터(actuator)의 길이 방향을 따라 움직이는, 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 재료스틱압축봉의 움직임을 조정하여 단위 면적당 일정량의 재료가 토출되도록 압출할 3차원 대상의 외주면을 따라 움직이는 상기 용융노즐의 속도 및 상기 재료스틱의 압출량을 제어하며, 상기 외주면의 곡선구간에서 상기 재료스틱의 압축속도는 상기 외주면의 직선구간에서 상기 재료스틱의 압축속도 보다 느리게 설정되는, 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압출량은 하기 수학식을 기초로 산출되는,
    [수학식]
    Figure 112020022631639-pat00004

    (여기서, de는 재료스틱의 지름, le는 압출 거리, ds는 압출된 재료의 폭, ls는 압출된 재료의 길이를 나타냄)
    세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용융노즐과 상기 재료배럴 사이에 배치되어 상기 재료스틱의 일 측 선단을 용융시키는 용융부; 및
    상기 용융부에서 발생한 열이 상부 방향으로 이동하는 것을 방지하는 방열부를 더 포함하는, 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 재료스틱은 170℃ 이상의 온도에서 혼련하여 제작되며, 상기 세라믹 분말은 결합제, 가소제 및 윤활제를 포함하는 고분자 바인더를 더 포함하는, 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용융노즐과 상기 재료배럴 사이에 배치되어 상기 재료스틱의 일 측 선단을 용융시키는 용융부에 의해 용융되는 상기 재료스틱의 일 측은 반고체 상태이고 타 측은 고체 상태인, 세라믹 재료를 이용한 3차원 프린팅 장치.
  8. 삭제
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