KR102540884B1 - 3d 프린팅용 지오폴리머 조성물 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물은 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화나트륨(Na2O)이 함유된 조성물에 대하여, 전체 지오폴리머 조성물의 함량을 기존으로 H2O)이 9.5몰% 내지 10.5몰%; 및 알코올이 0.5몰% 내지 1.5몰%를 포함함으로써 지오폴리머 조성물의 물리적 특성을 유지하며 3D 프린팅이 가능하도록 점도와 결정도가 용이하게 조절되어 3D 프린팅 공정이 가능한 효과가 있다.
Description
본 발명은 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물에 관한 것으로, 기존 몰드-캐스팅(mold-casting) 방식을 이용하여 형상을 구현하여 제품을 생산하던 방식에서 3D 프린팅에 적용할 수 있도록 지오폴리머 조성물의 결정성 및 유동성을 조절하여 3D 프린팅이 가능한 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법 에 관한 것이다.
지오폴리머(geopolymer)는 실리콘 기반 무기중합체로서 수세기 동안 벽돌 등의 건축 소재로 사용되어왔다. 보통의 지오폴리머 조성물은 수소, 알루미늄, 규소, 산소 및 나트륨(Na), 칼륨(K), 세슘(Cs) 등과 같은 원소 주기율표 1족 금속(알칼리 금속)을 포함하는 원소들을 함유한다.
최근 자동차 산업에서는 3D 프린팅 기술을 적용 기술 연구가 진행되고 있으며, 3D 프린터를 이용한 제조방식 상 부품의 가공 자유도가 매우 높아 복잡한 디자인의 부품도 제작 가능하고, 부품 제조를 위한 별도의 금형 제작이 최소화될 수 있고, 부품을 결합하기 위한 볼트 너트 등의 적용이 최소화되므로 자동차 경량화에도 크게 기여할 수 있어 이를 적용하는 기술 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 지오폴리머 물질은 sol-gel의 형태 소재로 몰드-캐스팅(mold-casting) 방식을 이용하여 소정 형상과 구조를 가지는 성형 몰드에 지오폴리머 조성물을 주입하고 이를 굳혀 제품을 제조한다.
그러나 기존 몰드-캐스팅(mold-casting) 방식은 설계의 자유도가 한정되어 있고, 개별 부품의 제조되고 이를 다시 조립하는 제작하는 복잡한 공정이 필요하므로, 이를 대체하는 새로운 지오폴리머 물질의 성형 공정이 요구되고 있다.
비특허문헌 1에는 지오폴리머 조성물을 3D 프린팅에 이용하는 기술에 대해 기재되어 있으며, 기존 몰드-캐스팅(mold-casting) 방식에 사용되었던 지오폴리머 조성물은 점성이 높아 유동성이 낮아 3D 프린팅에 적용될 수 없는 문제를 해결하고자, 지오폴리머 조성물에 첨가제로 그래핀 산화물(graphene oxide)를 넣음으로써 그래핀과 지오폴리머 사이의 슬립을 유도하여 점성을 조절하는 방법을 제시하였다. 그러나 비특허문헌 1과 같이 조성물에 추가로 그래핀 산화물(graphene oxide)와 같은 각종 첨가제가 적용되어 지어폴리머 조성물의 점성이나 결성의 조절할 경우에는 기본적인 지오폴리머가 갖고 있는 단열, 방열, 난연 및 절연 등과 같은 물리적 및 화학적 특성에 영향을 미치는 문제로 인해 3D 프린팅에 적용하는데 한계가 있다.
3D printing strong and conductive geopolymer nanocomposite structures modified by graphene oxide., J. Zhong, G. Xiang Zhou, Pei-Gang He, Zhi-Hua Yang, De-Chang Ji,. Carbon, 117, 2017, 421-426
상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 별도의 첨가제 사용 없이 지오폴리머의 기본적인 물리적 및 화학적 특성이 유지되며, 3D 프린팅에 적용할 수 있도록 지오폴리머 조성물의 유동성 및 결정성을 조절한 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물은 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화나트륨(Na2O)이 함유된 지오폴리머 조성물에 대하여, 전체 지오폴리머 조성물의 함량을 기준으로 물(H2O)이 9.5몰% 내지 10.5몰%; 및 알코올이 0.5몰% 내지 1.5몰%를 포함할 수 있다.
상기 지오폴리머 조성물에서 상기 물과 상기 알코올 합계 량은 11몰%인 것이 바람직하다.
상기 지오폴리머 조성물에 포함되는 알코올은 바람직하게 탄소수 1 내지 5의 알코올의 1급, 2급, 1가 알코올 또는 다가 알코올이며, 보다 바람직하게는 에탄올이다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 3D 프린팅용 지오폴리머를 이용한 3D 프린팅 방법은, 물유리와 메타카올린을 혼합한 후 알코올을 첨가하여 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 제조하는 단계, 상기 제조된 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 3D 프린팅 장치에 공급하고 소정의 온도로 3D 프린팅 장치의 노즐부를 가열하는 단계, 및 기 설정된 경로를 따라 노즐부를 이동시키면서 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 노즐부를 통해 분출하는 단계를 포함하여 수행된다.
먼저 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 제조하는 단계는 실리카(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)를 포함하여 이루어진 물유리와 산화알루미늄(Al2O3) 및 실리카(SiO2)를 포함하여 이루어진 메타카올린(metacaolin)을 혼합한 다음 알코올을 첨가하여 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 제조한다. 일 예로 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화나트륨(Na2O)이 함유되고, 전체 지오폴리머 조성물 함량을 기준으로 물(H2O)이 9.5몰% 내지 10.5몰%; 및 알코올이 0.5몰% 내지 1.5몰%을 포함하는 지오폴리머 조성물을 제조할 수 있다.
이때, 상기 물과 상기 알코올의 합계 량이 11 몰%을 포함하도록 지오폴리머 조성물을 제조하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 물 10몰%과 알코올 1몰%를 포함하는 것이다.
상기 물유리는 실리카(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)를 포함하는 것이고, 상기 메타카올린은 산화알루미늄(Al2O3) 및 실리카(SiO2)를 포함하여 이루어진 것이다.
상기 지오폴리머 조성물에 포함되는 상기 알코올은 바람직하게 탄소수 1 내지 5의 알코올의 1급, 2급, 1가 알코올 또는 다가 알코올이며, 보다 바람직하게는 에탄올을 사용할 수 있다.
3D 프린팅 장치의 노즐부를 가열하는 단계는 3D 프린팅 장치 내로 공급된 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 50℃이상 70℃미만의 온도로 가열하는 것이 바람직하다.
만약 상기 가열 온도 조건이 50℃미만이면, 낮은 온도로 인해 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물에서 수분 성분인 물과 알코올의 증발이 늦어져 분출된 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물이 제대로 적층되지 않은 문제가 발생되며, 가열 온도 조건이 70℃이상이면 오히려 수분 성분이 물과 알코올의 제거가 가속화되어 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물에서 미반응된 산화나트륨(Na2O)가 공기 중의 이산화탄소(CO2)와 만나 탄산나트륨(Na2CO3) 산화물이 3D 프린팅된 적층체 표면에 형성되어 제품의 품질에 문제가 발생될 수 있으므로 상기 제시된 가열 온도 범위으로 노즐부를 가열하는 것이 바람직하다.
상기 분출하는 단계는, 상기 노즐부를 통해 지오폴리머 조성물을 와이어 형태로 분출하여 기 설정된 형상의 적층체를 형성하는 것이다.
본 발명에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물은 3D 프린팅에 적합하게 점도가 조절됨으로써 3D 프린팅 장치의 노즐부에서 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 분출이 용이하고, 노즐부를 통해 분출된 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 적층성이 확보되어 3차원의 구조체를 형성하는데 적합하다.
또한, 지오폴리머가 기본적으로 가진 단열, 방열, 난연 및 절연 등의 물리적 및 화학적 특성에 영향을 미치지 않으므로, 본원발명의 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법을 통해 차량 내부와 외부의 열 차단 및 전기 차단이 요구되는 다양한 제품을 제조가 가능한 효과가 있다.
더 나아가, 본 발명에 따르면 다양한 산업부문에 광범위하게 사용되고 있는 지오폴리머를 3D 프린팅에 이용하여 사용자의 필요에 따라 다양한 형태로 제품의 소량 생산화가 가능한 효과를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 비교예 및 실시예에서 사용한 3D 프린팅 장치 사진이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1에 따른 지오폴리머 조성물의 3D 프린팅 진행결과 사진이다.
도 3은 본 발명의 비교예 2에 따른 지오폴리머 조성물의 3D 프린팅 진행 결과 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 3에 따른 지오폴리머 조성물의 3D 프린팅 진행 결과 사진이다.
도 5는 본 발명의 비교예 4에 따른 지오폴리머 조성물의 3D 프린팅 진행 결과 사진이다.
도 6는 본 발명의 실시예 1에 따른 지오폴리머 조성물의 3D 프린팅 진행 결과 사진이다.
도 7은 지오폴리머 조성물에서 물의 함량에 따른 전단율(shear rate)-점도(viscosity) 변화 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 압입 자국(indentation) 길이를 측정한 장치의 모습이다.
도 9은 70℃ 가열 조건으로 3D 프린팅된 지오폴리머 출력물을 메타카올린과 비교 분석한 결과이다.
도 10과 도 11은 본 발명의 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물로 제조된 출력물의 효과를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1에 따른 지오폴리머 조성물의 3D 프린팅 진행결과 사진이다.
도 3은 본 발명의 비교예 2에 따른 지오폴리머 조성물의 3D 프린팅 진행 결과 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 3에 따른 지오폴리머 조성물의 3D 프린팅 진행 결과 사진이다.
도 5는 본 발명의 비교예 4에 따른 지오폴리머 조성물의 3D 프린팅 진행 결과 사진이다.
도 6는 본 발명의 실시예 1에 따른 지오폴리머 조성물의 3D 프린팅 진행 결과 사진이다.
도 7은 지오폴리머 조성물에서 물의 함량에 따른 전단율(shear rate)-점도(viscosity) 변화 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 압입 자국(indentation) 길이를 측정한 장치의 모습이다.
도 9은 70℃ 가열 조건으로 3D 프린팅된 지오폴리머 출력물을 메타카올린과 비교 분석한 결과이다.
도 10과 도 11은 본 발명의 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물로 제조된 출력물의 효과를 나타낸 사진이다.
본 명세서에서 사용되는 “구성된다”, “포함한다”, “첨가된다” 또는 “함유한다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또한 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예 및 비교예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예 및 비교예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에서 사용된 3D 프린팅 시스템으로 압출방식의 3D 프린팅 시스템을 이용하며, 압출방식의 3D 프린팅 시스템 중에서 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린팅 방법을 사용한다.
먼저 실리카(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)를 포함하여 이루어진 물유리와 산화알루미늄(Al2O3) 및 실리카(SiO2)를 포함하여 이루어진 메타카올린(metacaolin)을 혼합하여 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 제조한다.
제조된 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 3D 프린팅 장치 내의 혼합부에 공급되면, 혼합부는 상기 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 하나 이상의 교반 날개(미도시)를 통해 회전운동으로 고루 혼합하고, 기어봉이 돌아가면서 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 압출하여 노즐부를 통해 분출한다. 이때, 도시되지는 않았으나, 3D 프린팅 시스템의 노즐부는 히터(미도시)가 장착되어 히터를 통해 소정의 온도로 상기 노즐부를 가열하여 노즐 안의 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물를 용융시켜 분출한다. 이때, 기 설정된 경로를 따라 노즐부를 이동시키면서 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 와이어 형태로 분출하여 기설정된 3차원 형상의 적층체를 형성한다.
비교예 1은 물유리와 메타카올린을 혼합하여 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화나트륨(Na2O)이 함유된 지오폴리머 조성물에 대하여, 전체 지오폴리머 조성물의 함량을 기준으로 물(H2O)이 9몰% 포함된 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 제조하였다. 이를 3D 프린팅 장치에 넣고 3D 프린팅을 실시하였다. 이때, 사용된 3D 프린팅 장치에서 노즐의 직경은 4.5mm였다.
그 결과 비교예 1의 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 유동성이 떨어져 3D 프린팅 장치의 노즐부에서 비교예 1의 조성물이 분출되지 않아, 도 2에서처럼 3D 프린팅이 제대로 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다.
비교예 2는 전체 지오폴리머 조성물의 함량에서 물(H2O)을 10몰%로 변경한 것을 제외하고 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 3D 프린팅을 실시하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 비교예 2 경우는 비교예 1 보다 조성물에서 물의 양을 늘림으로써 지오폴리머 조성물의 유동성이 향상되어 노즐부에서의 분출이 잘 이루어지지만, 4개의 층으로 8mm 정도 두께로 적층되지 않아 적층성이 떨어져 제대로된 3차원 형상의 적층체를 형성할 수 없음을 확인할 수 있었다.
비교예 3은 3D 프린팅 장치에서 노즐부를 70℃의 온도로 가열하고, 노즐의 직경은 2mm로 변경한 것을 제외하고 상기 비교예 2와 동일한 방법으로 3D 프린팅을 실시하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에 도시된 바와 같이, 비교예 3의 경우는 비교예 2보다 적층성이 향상되어 25개 층으로 25mm 정도 두께의 적층체를 형성할 수 있음을 확인할 수 있었다.
비교예 4는 전체 지오폴리머 조성물의 함량에서 물(H2O) 10몰%과 에탄올 1몰%로 변경한 것을 제외하고, 상기 비교예 3과 동일한 방법으로 3D 프린팅을 실시하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서처럼 조성물의 유동성 및 적층성이 확보되어 3D 프린팅이 가능하여 3차원 형상의 적층체를 형성됨을 확인하였으나, 일정 시간 경과 후 적층체의 표면에 백화현상이 일어나고, 이로 인해 제품의 품질저하가 발생됨을 확인할 수 있었다.
실시예 1은 3D 프린팅 장치에서 노즐부의 가열 온도를 50℃의 온도로 변경한 것을 제외하고 상기 비교예 4와 동일한 방법으로 3D 프린팅을 실시하였다.
그 결과 도 6에서처럼 조성물의 유동성 및 적층성이 확보되어 안정적으로 3차원 형상의 적층체가 형성됨은 물론 백화현상이 발생되지 않는 바, 3D 프린팅 제품의 품질저하 문제를 해결할 수 있었음을 확인하였다.
아래 표 1은 상기 실시예 및 비교예에 적용된 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물에서 산화나트륨(Na2O), 실리카(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)의 몰비와 물과 에탄올의 함량(몰%)과, 3D 프린팅 장치의 노즐부에서의 가열 온도와 노즐 직경을 정리하여 나타낸 것이다.
하기 표 1에 제시된 바와 같이 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 제조에서, 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 4의 산화나트륨(Na2O), 실리카(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)의 함량은 1:1:4 몰비로 동일하게 적용하며, 물과 에탄올의 함량만 변경한 것이다.
| 구분 | 비교예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 | 비교예 4 | 실시예 1 |
| Na2O | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| SiO2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Al2O3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 물 (몰%) |
9 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 에탄올 (몰%) |
- | - | 1 | 1 | 1 |
| 가열 온도(℃) | 20(실온) | 20(실온) | 70 | 70 | 50 |
| 노즐 직경(mm) | 4.5 | 4.5 | 2 | 2 | 2 |
도 7은 지오폴리머 조성물에서 물의 함량에 따른 전단율(shear rate)-점도(viscosity) 변화 그래프이다.
3D 프린팅용 지오폴리머 조성물에서 적합한 점성을 나타내는 물의 함량을 알아보고자 점도를 측정하였으며, 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화나트륨(Na2O)가 포함하는 전체 지오폴리머 조성물에 대하여 물의 함량을 9몰%, 10몰% 및 11몰%로 조절한 지오폴리머 조성물의 점도를 Haake 점도계(Haake viscometer)를 사용하여, 20℃ 조건에서 측정하였다.
도 7 도시된 바와 같이 30/s의 전단율에서 150Pas의 점도를 갖는 기존 3D 프린팅이 가능한 점토(clay) 조성물과 비교하여 살펴보았을 때, 물 9몰%을 포함하는 지오폴리머 조성물의 경우 30/s의 전단율에서 200Pas 정도의 상대적으로 높은 점도를 가지며, 물 11몰%을 포함하는 지오폴리머 조성물은 30/s의 전단율에서 50Pas 정도로 물의 함량이 많아 상대적으로 낮은 점도를 나타내며, 물 10몰%를 포함할 경우는 기존 3D 프린팅이 가능한 점토(clay) 조성물과 거의 동일한 30/s의 전단율에서 200Pas 정도의 점도를 갖는 바, 물 10몰%을 포함하는 지오폴리머 조성물에서 가장 적합한 점성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
또한, 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 적합한 적층성을 나타내는 3D 프린팅 장치의 노즐부에서 가열 온도를 살펴보았다.
아래 표 2은 실시예 1에 따라 제조된 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 표면을 도 8에서와 같이 콘크리트 및 유사 물질 급결성 측정 장비인 비카 시험(Vicat Test)을 이용하여 시간별로 20℃ 온도에서 1kg의 적용 하중으로 가하였을 때, 생성되는 압입 자국(indentation)의 길이(mm)를 측정한 결과로, 95분에서는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물이 완전 경화됨을 확인할 수 있는 바, 20℃ 정도의 실온에서는 95분 이상의 시간이 경과되어야지만 인해 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물이 경도가 확보되어 적층될 수 있음을 확인할 수 있었다.
| 시간(분) | 시작 눈금(mm) | 종료 눈금(mm) | 압입자국 길이 (mm) |
| 5 | 49 | 0 | 49 |
| 10 | 49 | 14 | 35 |
| 15 | 49 | 20 | 29 |
| 20 | 49 | 23 | 26 |
| 25 | 49 | 37 | 12 |
| 30 | 49 | 42 | 7 |
| 35 | 49 | 44 | 5 |
| 40 | 49 | 46 | 3 |
| 50 | 49 | 46.5 | 2.5 |
| 55 | 49 | 47 | 2 |
| 65 | 49 | 48 | 1 |
| 75 | 49 | 48 | 1 |
| 95 | 49 | 90 | 0 |
따라서, 3D 프린팅 장치의 노즐부에서 가열 온도가 20℃ 이상 50℃ 미만이면, 낮은 온도로 인해 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물에서 수분 성분인 물과 알코올의 제거가 빨리 이루어지지 못해 분출된 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물이 적층되기 위한 충분한 경도를 가지지 못해 제대로 적층되지 못하여 3D 프린팅이 적합하지 않음을 확인할 수 있었다.
3D 프린팅 장치의 노즐부에서 가열 온도가 70℃ 이상인 경우, 앞서 비교예 3과 비교예 4에서 살펴본 바와 같이, 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 적층성이 확보된다. 그러나 X선 회절 분석(XRD) 평가 결과 프린팅 노즐부에 히트 건(heat gun)을 활용하여 70℃에서 고속 양생된 지오폴리머의 경우 도 9에 나타낸 바와 같이, 메타카올린 조성물과 비교 분석하였을 때 높은 온도로 인해 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 표면의 수분제거가 가속화되어 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물에서 미반응된 산화나트륨(Na2O)가 공기 중의 이산화탄소(CO2)와 만나 형성된 탄산나트륨(Na2CO3) 산화물이 3차원 적층체 제품의 외부와 내부에 생성되는 것을 확인되는 바, 이는 제품의 품질저하를 일으킨다.
그러므로 본 발명에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 적합한 적층성을 나타내는 노즐부의 가열 온도는 50℃ 이상 70℃ 미만인 것이 바람직하며, 이 온도 범위에서는 실시예 1에서와 같이 노즐부를 통해 분출된 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물의 수분 성분으로 물과 알코올이 제거되면서 다음 층을 적층하기 위한 강도 확보가 가능하다.
도 10과 도 11은 본 발명의 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물로 제조된 출력물의 효과를 나타낸 사진이다.
도 10에서 왼쪽 사진은 종래 모금형(금속 소재 금형)에 코어 금형(플라스틱 사출 금형)가 들어가 있는 형태이고, 오른쪽 사진은 종래 모금형과 코어 금형의 소재 차이로 인한 열팽창 차이 및 플라스틱 소재(디지털 ABS 소재)로 이루어진 코어 금형으로 자체의 내구성 저하로 인한 사출 금형 시 코어 금형의 깨짐(crack) 현상이 발생됨을 나타낸 도면이다.
즉, 플라스틱 사출 금형으로 본원발명의 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용할 경우 종래 플라스틱 사출 금형으로 3D 프린팅 출력물로 사용되는 디지털 ABS(digital ABS) 대비 열팽창계수 차이가 적어 내구성이 우수하고 강도가 향상되어 금형의 깨짐 현상들을 개선하는 효과가 있다.
도 11은 본 발명의 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물로 제조된 출력물의 난연특성을 확인한 사진으로, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 지오폴리머 제품을 약 900℃의 가스 토치의 화염에 2~3분간 직접 노출하여 연소 반응을 확인하였을 때, 열충격에 강한 지오폴리머 특성으로 불에 타지 않음을 확인하였다.
본 발명의 구성은 상기의 실시예를 통해 그 우수성이 입증되었지만 상기의 구성에 의해서만 반드시 한정되는 것은 아니고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변경 및 변형이 가능하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
Claims (10)
- 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화나트륨(Na2O)이 함유된 지오폴리머 조성물에 대하여,
전체 지오폴리머 조성물의 함량을 기준으로 물(H2O)이 9.5몰% 내지 10.5몰%; 및 알코올이 0.5몰% 내지 1.5몰%를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 물과 상기 알코올의 합계 량이 11몰%인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 알코올은 탄소수 1 내지 5의 알코올인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물. - 물유리와 메타카올린을 혼합한 후 알코올을 첨가하여 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 제조하는 단계;
상기 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 3D 프린팅 장치의 노즐부에 공급하고, 상기 노즐부를 50℃ 초과 70℃ 미만의 온도로 가열하는 단계; 및
기 설정된 경로를 따라 노즐부를 이동시키면서 지오폴리머 조성물을 노즐부를 통해 분출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법. - 제4항에 있어서,
상기 물유리는 실리카(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법. - 제4항에 있어서,
상기 메타카올린은 산화알루미늄(Al2O3) 및 실리카(SiO2)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법. - 제4항에 있어서,
상기 알코올은 탄소수 1 내지 5의 알코올인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법. - 제4항에 있어서,
상기 지오폴리머 조성물을 제조하는 단계는 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화나트륨(Na2O)이 함유되고, 전체 지오폴리머 조성물 함량을 기준으로 물(H2O)이 9.5몰% 내지 10.5몰%; 및 알코올이 0.5몰% 내지 1.5몰%을 포함하는 지오폴리머 조성물을 제조하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법. - 제7항에 있어서,
상기 물과 상기 알코올의 합계 량이 11몰%을 포함하도록 지오폴리머 조성물을 제조하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법. - 제4항에 있어서,
상기 분출하는 단계는,
상기 노즐부를 통해 지오폴리머 조성물을 와이어 형태로 분출하여 기 설정된 3차원 형상의 적층체를 형성하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
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