KR102536114B1 - Uv레진 및 세라믹분말을 이용하는 3d프린터용 출력소재 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 세라믹분말 100중량부에 대하여 UV레진(Ultra Violet Resin) 170~210중량부와, 유리비드 80~120중량부와, 분산안정제 7~11중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터용 출려소재 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 열팽창계수가 낮고 내마모성 및 내식성이 좋은 세라믹소재와, UV레진(Ultra Violet Resin) 및 유리비드를 혼합하여 출력소재를 제조하고, 3D프린터 출력물 중 필요 부위에 UV를 조사하면서 출력작업을 진행하므로 유리비드에 의해 UV 조사 광선이 재료에 용이하게 침투되면서 3D프린터 출력물의 경화시간을 단축시킬 수 있고, 친화경 세라믹분말을 사용하여 환경오염을 방지할 수 있는 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터용 출력소재 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 3차원 프린팅 기술은, 3차원 모델 데이터로부터 형상을 만들기 위하여 연속된 재료를 한층 한 층씩(layer upon layer) 적층하는 방법으로 절삭가공 기술과 대비되는 기술이다.
또한, 광원의 종류, 적층방식 및 소재에 따라 구분하고 있으며, 미국재료시험협회(ASTM, American Society for Testing and Materials)에서는 3차원 프린팅 기술을 크게 7가지로 구분하여 정의하고 있다.
그리고 건축분야에서는 7가지 3차원 프린팅 기술 중 재료 압출방식(MEM, Material Extrusion Method)와 분말형태의 소재 위에 액체 형태의 접착제를 도출시켜 3차원 구조체를 형성하는 접착제 분사 방식(BJM, Binder Jetting Method)가 적용되고 있다.
접착제 분사 방식(BJM, Binder Jetting Method)은 분말 형태의 소재위에 액체 형태의 접착제를 토출시켜 분말 사이의 결합을 통해 3차원 구조물을 형성시키는 방식이다. 재료 압출방식과 비교해 형상 구현의 자유도가 높아 기하학적 구조물 및 위상 최적화 구조물을 구현할 수 있는 것이 가장 큰 장점이다. 부재를 직접 출력(DCP, Direct Component Production)하는 방법과 비정형 거푸집을 출력(FP, Formwork Production)하고 UHPC(Ultra High Performance Concrete)를 타설하는 방식이 대표적이다. 주로 소형 부재에 한정된 출력 사례가 보고되고 있으며, 형상 자유도가 재료 압출방식에 비하여 우수하다는 장점을 갖고 있으나 출력방식상 특성에 따른 구조체의 강도저하, 긴 출력시간 그리고 출력부재의 크기 제한이 단점으로 알려져 있다.
재료 압출 방식(MEM)은 모르타르 및 콘크리트와 같은 시멘트계 복합체를 노즐에서 압출하는 방식으로서 건설구조물을 출력하는데 가장 많이 사용되고 있는 방식이다.
재료 압출방식은 건설 현장에서 출력이 가능하며 대형화가 용이하다는 장점이 있어서 기둥, 벽 등과 같은 대형 건설 부재의 현장 시공을 목표로 프로젝트가 진행되는 있으며, 또한 기존의 전통적인 시멘트 복합체 소재 및 혼합방법을 채택하고 있어 구조물 출력에도 활발하게 적용되고 있는 방식이다.
하지만 재료 압출방식의 경우는 유동성을 갖는 시멘트 복합체를 사용재료로 출력하는 방식이므로 적층 시에 변형 발생으로 최종 제품의 일정한 치수안정성 확보가 어려운 단점을 내포하고 있으며, 기존 다짐 등을 이용하여 제작된 시멘트 복합체에 비하여 강도가 저하되고 높은 흡수율을 나타내는 등의 문제점이 지적되고 있다.
따라서 이와 같은 문제점을 개선하기 위해서는 치수안정성 및 원활한 출력성을 동시에 확보할 수 있는 시멘트 복합체의 유동성 및 속경성 확보, 구조물 적용을 위한 소요 강도 및 흡수율 확보를 위한 사용재료 간 최적 조성비 적용 그리고 상기 두 가지 조건에 부합되도록 출력할 수 있는 노즐조건 및 출력속도 등의 최적 프린팅 조건 선정이 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
향후 성장성이 높은 3D 프린터 시장에 대한 국내 기술력 향상과 시장 점유율 확보를 위해 기술 개발이 필요하다.
3D 프린팅에 사용되는 원료소재들은 폴리머, 금속, 세라믹, 세포 등 다양하나, 3D 프린팅하는 방식에 따라 사용 가능한 재료는 제한되며, 기능화 부여 가능성도 한정되어 있음. 현재 금속 및 세라믹을 이용한 소재에 대한 연구개발은 미흡한 상황이다.
금속 소재는 선택적 레이저 소결(SLS : selective laser sintering)방식이 사용되고 있다.
선택적 레이저 소결방식은 레이저를 이용하여 분말원료(폴리머, 금속, 세라믹)를 국부적 용해/소결 시키는 방법으로 우수한 제품 품질을 보장하며, 다양한 소재를 원료로 사용할 수 있는 장점을 갖지만 3D 프린터 가격과 유지비가 비싸고 대량 생산이 불가능하다.
이에 새로운 고가의 3D 프린팅 장비가 필요하지 않은 새로운 개념의 소재의 개발이 필요하다.
3차원 프린팅 방식은 얇게 도포된 세라믹 입자에 접착제를 도포하여 반복 적층 하는 방식으로 3D 프린터의 가격이 싸고 유지비가 낮으며 상업용 대량생산이 가능하고, 외부의 가열 혹은 임의의 외압이 작용하지 않아 세라믹 분말의 결합도를 낮추지 않는 범위에서 이종재료의 혼합이 가능한 방식이다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 3D 프린터용 자기치유 성능을 부여한 시멘트계 세라믹 제품이 개발되었으며, 종래기술에 따른 시멘트계 세라믹 제품은, 제1 미립자 재료, 제2 미립자 재료 및 제3 미립자 재료가 혼합된 혼합물과, 혼합물 내 함유되어 혼합물의 생성물 내의 균열을 치유하는 자기치유 재료를 포함한다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0075774호(2018년 07월 05일 공개, 발명의 명칭 : 3D 프린터용 자기치유 성능을 부여한 시멘트계 세라믹 제품)에 개시되어 있다.
종래기술에 따른 시멘트계 세라믹 제품은, 적층 방식을 적용한 3D 프린터 적용 시 층간 부착성능의 한계와 유동성으로 인하여 적층성을 확보할 수 없으며, 적층이 진행될수록 자중으로 인해 침하현상이 발생하여 균일한 층간 높이를 확보할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 열팽창계수가 낮고 내마모성 및 내식성이 좋은 세라믹소재와, UV레진(Ultra Violet Resin) 및 유리비드를 혼합하여 출력소재를 제조하고, 3D프린터 출력물 중 필요 부위에 UV를 조사하면서 출력작업을 진행하므로 유리비드에 의해 UV 조사 광선이 재료에 용이하게 침투되면서 3D프린터 출력물의 경화시간을 단축시킬 수 있고, 친화경 세라믹분말을 사용하여 환경오염을 방지할 수 있는 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터용 출력소재 조성물 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 세라믹분말 100중량부에 대하여 UV레진(Ultra Violet Resin) 170~210중량부와, 유리비드 80~120중량부와, 분산안정제 7~11중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 세라믹분말은, 굴패각(Oyster shell), 석회석(Limestone), 백운석(Dolomite), 메타카올린(Metakaolin), 플라이애시(Fly ash), 고로슬래그(granulated blast furnace slag) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 분산안전제는, 아프코나(AFCONA) 분산제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, (a) 세라믹분말 100중량부에 대하여 UV레진(Ultra Violet Resin) 170~210중량부와, 유리비드 80~120중량부와, 분산안정제 7~11중량부를 혼합하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 혼합된 조성물을 Steel ball을 구비하는 Ball mill에 투입하여 회전속도 80~120rpm으로 9~24시간 동안 분산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 및 이의 제조방법은, 굴패각(Oyster shell), 석회석(Limestone), 백운석(Dolomite , 메타카올린(Metakaolin), 플라이애시(Fly ash), 고로슬래그(granulated blast furnace slag) 등의 친환경 세라믹 소재를 사용하므로 세라믹소재 제조과정에 발생되는 오염물질들에 의해 발생되는 환경오염을 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 및 이의 제조방법은, 열팽창계수가 낮고, 내마모성 및 내식성이 우수한 세라믹분말을 UV레진과 혼합하여 3D프린터 출력소재 조성물을 제조하므로 3D프린터의 출력물의 강도가 향상되어 내구성이 좋은 출력물을 제조할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 및 이의 제조방법은, 재귀 반사가 좋은 유리비드를 혼합하여 3D프린터 출력소재를 제조하기 때문에 출력작업이 진행되는 동안에 UV 광선이 출력소재에 용이하게 침투되어 광경화성 소재인 출력소재의 출력성 및 점도가 향상되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조방법에 사용되는 Ball mill, 알루미나 Jar 및 Steel ball이 도시된 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조시험이 도시된 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조방법에 사용되는 유리비드 및 출력물이 도시된 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조방법에 사용되는 점도측정기가 도시된 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조시험이 도시된 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조방법에 사용되는 유리비드 및 출력물이 도시된 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조방법에 사용되는 점도측정기가 도시된 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 및 이의 제조방법의 일 실시예를 설명한다.
이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조방법에 사용되는 Ball mill, 알루미나 Jar 및 Steel ball이 도시된 사진이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조시험이 도시된 사진이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조방법에 사용되는 유리비드 및 출력물이 도시된 사진이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조방법에 사용되는 점도측정기가 도시된 사진이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물은, 세라믹분말 100중량부에 대하여 UV레진(Ultra Violet Resin) 170~210중량부와, 유리비드 80~120중량부와, 분산안정제 7~11중량부를 포함하여 이루어진다.
일반적으로, 세라믹은 무기물, 비금속 고체 재료를 지칭하고, 낮은 열팽창계수와 내마모성, 내식성 등 우수한 특성에도 불구하고 경도가 높고, 취성이 강하고, 긴 공정 시간 및 높은 가공비용을 필요로 하여 복잡한 형상이 요구되는 분야에는 적용되지 못하고 있었다.
따라서 본 실시예에 따른 출력소재 조성물을 제조하여 복잡한 형상의 세라믹 출력을 가능하게 하면 낮은 열팽창계수와 내마모성, 내식성 등 우수한 3D프린터 출력물을 제조할 수 있게 된다.
본 실시예의 세라믹분말은, 굴패각(Oyster shell), 석회석(Limestone), 백운석(Dolomite), 메타카올린(Metakaolin), 플라이애시(Fly ash), 고로슬래그(granulated blast furnace slag) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어지므로 친환경 소재들로 이루어져 환염오염을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예의 분산안전제는, 아프코나(AFCONA) 분산제를 포함하여 이루어지고, 상기한 조성물을 도 1에 도시된 Ball mill에 투입하여 100rpm의 속도로 3시간 단위로 샘플을 채취하여 입도를 측정한 결과, 9시간 이상 분산작업을 진행하여 혼합물의 입도를 2.0~3.0㎛의 재료로 제조할 수 있었다.
또한, 시료의 입도는, "Standard Test Method for Fineness of Dispersion of Pigment-Vehicle Systems by Hegman-Type Gage" 방법으로 입도 사이즈를 측정하였다.
도 2에 도시된 바와 같이 3시간 간격으로 분산된 UV 경화수지 상태를 측정하였으며, 9시간 이상 분산시킨 경우에 도 2의 오른쪽에 배치된 사진과 같이 재료의 분리가 이루어지지 않게 되었다.
[표 1]
또한, 본 실시예의 유리비드는, 백규사 또는 실리케이드로 대체하여 사용할 수 있으며, 유리비드, 백규사, 실리케이트는, 재귀 방사율이 높아 출력소재에 UV 조사 광선의 침투가 용이하게 이루어지도록 하므로 본 실시예의 출력성을 향상시켜 도 3에 도시된 바와 같이 3D프린터의 출력소재로 사용될 수 있도록 하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터 출력소재 조성물 제조방법은, 세라믹분말 100중량부에 대하여 UV레진(Ultra Violet Resin) 170~210중량부와, 유리비드 80~120중량부와, 분산안정제 7~11중량부를 혼합하는 단계와, 혼합단계에서 혼합된 조성물을 Steel ball을 구비하는 Ball mill에 투입하여 회전속도 80~120rpm으로 9~24시간 동안 분산시키는 단계를 포함한다.
먼저, 세라믹분말 100중량부에 대하여 UV레진(Ultra Violet Resin) 170~210중량부와, 유리비드 80~120중량부와, 분산안정제 7~11중량부를 혼합한 후에 Steel ball을 구비하는 Ball mill에 투입하여 회전속도 80~120rpm으로 9~24시간 동안 분산시켜 조성물의 입도를 2.0~3.0㎛까지 분산시킨다.
<비교예1>
세라믹분말 100중량부에 대하여 191중량부의 UV레진(Ultra Violet Resin)과, 9중량부의 분산안정제를 혼합하고, Ball mill에 투입하여 100rpm의 속도로 9시간 동안 분산작업을 진행하여 출력소재 조성물을 제조하고, 3D프린터에 공급하여 출력물을 제조하였다.
<비교예2>
세라믹분말 100중량부에 대하여 191중량부의 UV레진(Ultra Violet Resin)과, 40중량부의 유리비드와, 9중량부의 분산안정제를 혼합하고, Ball mill에 투입하여 100rpm의 속도로 9시간 동안 분산작업을 진행하여 출력소재 조성물을 제조하고, 3D프린터에 공급하여 출력물을 제조하였다.
<비교예3>
세라믹분말 100중량부에 대하여 191중량부의 UV레진(Ultra Violet Resin)과, 60중량부의 유리비드와, 9중량부의 분산안정제를 혼합하고, Ball mill에 투입하여 100rpm의 속도로 9시간 동안 분산작업을 진행하여 출력소재 조성물을 제조하고, 3D프린터에 공급하여 출력물을 제조하였다.
<실시예1>
세라믹분말 100중량부에 대하여 191중량부의 UV레진(Ultra Violet Resin)과, 80중량부의 유리비드와, 9중량부의 분산안정제를 혼합하고, Ball mill에 투입하여 100rpm의 속도로 9시간 동안 분산작업을 진행하여 출력소재 조성물을 제조하고, 3D프린터에 공급하여 출력물을 제조하였다.
<실시예2>
세라믹분말 100중량부에 대하여 191중량부의 UV레진(Ultra Violet Resin)과, 100중량부의 유리비드와, 9중량부의 분산안정제를 혼합하고, Ball mill에 투입하여 100rpm의 속도로 9시간 동안 분산작업을 진행하여 출력소재 조성물을 제조하고, 3D프린터에 공급하여 출력물을 제조하였다.
<실시예3>
세라믹분말 100중량부에 대하여 191중량부의 UV레진(Ultra Violet Resin)과, 120중량부의 유리비드와, 9중량부의 분산안정제를 혼합하고, Ball mill에 투입하여 100rpm의 속도로 9시간 동안 분산작업을 진행하여 출력소재 조성물을 제조하고, 3D프린터에 공급하여 출력물을 제조하였다.
<비교예4>
세라믹분말 100중량부에 대하여 191중량부의 UV레진(Ultra Violet Resin)과, 140중량부의 유리비드와, 9중량부의 분산안정제를 혼합하고, Ball mill에 투입하여 100rpm의 속도로 9시간 동안 분산작업을 진행하여 출력소재 조성물을 제조하고, 3D프린터에 공급하여 출력물을 제조하였다.
[표 2]
상기한 표 2에 기재된 바와 같이 유리비드는 세라믹분말 100중량부에 대하여 80~12중량부로 포함되는 경우에 3D프린터의 출력소재로 사용하여 출력물의 형상을 유지할 수 있게 되었으며, 출력물의 점도 또한 548~630으로 향상됨을 알 수 있다.
따라서 본 실시예의 유리비드는, 세라믹분말 100중량부에 대하여 80~120중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
이로써, 열팽창계수가 낮고 내마모성 및 내식성이 좋은 세라믹소재와, UV레진(Ultra Violet Resin) 및 유리비드를 혼합하여 출력소재를 제조하고, 3D프린터 출력물 중 필요 부위에 UV를 조사하면서 출력작업을 진행하므로 유리비드에 의해 UV 조사 광선이 재료에 용이하게 침투되면서 3D프린터 출력물의 경화시간을 단축시킬 수 있고, 친화경 세라믹분말을 사용하여 환경오염을 방지할 수 있는 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터용 출력소재 조성물 및 이의 제조방법을 제공할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시되는 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
또한, UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터용 출력소재 조성물 및 이의 제조방법을 예로 들어 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터용 출력소재 조성물 및 이의 제조방법이 아닌 다른 제품에도 본 발명의 조성물 및 이의 제조방법이 사용될 수 있다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
Claims (4)
- 세라믹분말 100중량부에 대하여 UV레진(Ultra Violet Resin) 170~210중량부와, 유리비드 80~120중량부와, 분산안정제 7~11중량부를 포함하여 이루어지고,
상기 세라믹분말은, 굴패각(Oyster shell), 석회석(Limestone), 백운석(Dolomite), 메타카올린(Metakaolin), 플라이애시(Fly ash), 고로슬래그(granulated blast furnace slag) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어지고,
상기 분산안정제는, 아프코나(AFCONA) 분산제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터용 출력소재 조성물.
- 삭제
- 삭제
- (a) 세라믹분말 100중량부에 대하여 UV레진(Ultra Violet Resin) 170~210중량부와, 유리비드 80~120중량부와, 분산안정제 7~11중량부를 혼합하는 단계;
(b) 상기 (a)단계에서 혼합된 조성물을 Steel ball을 구비하는 Ball mill에 투입하여 회전속도 80~120rpm으로 9~24시간 동안 분산시키는 단계를 포함하고,
상기 세라믹분말은, 굴패각(Oyster shell), 석회석(Limestone), 백운석(Dolomite), 메타카올린(Metakaolin), 플라이애시(Fly ash), 고로슬래그(granulated blast furnace slag) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어지고,
상기 분산안정제는, 아프코나(AFCONA) 분산제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 UV레진 및 세라믹분말을 이용하는 3D프린터용 출력소재 조성물 제조방법.
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