KR102580264B1 - 열전도성 폴리머 재질 금형 부재 및 그 제조방법 - Google Patents

열전도성 폴리머 재질 금형 부재 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102580264B1
KR102580264B1 KR1020210161463A KR20210161463A KR102580264B1 KR 102580264 B1 KR102580264 B1 KR 102580264B1 KR 1020210161463 A KR1020210161463 A KR 1020210161463A KR 20210161463 A KR20210161463 A KR 20210161463A KR 102580264 B1 KR102580264 B1 KR 102580264B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
powder
metal
alloy
thermoplastic resin
mold member
Prior art date
Application number
KR1020210161463A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230076901A (ko
Inventor
신제식
김용대
김태형
신광호
김효섭
김미애
윤준영
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020210161463A priority Critical patent/KR102580264B1/ko
Publication of KR20230076901A publication Critical patent/KR20230076901A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102580264B1 publication Critical patent/KR102580264B1/ko

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/314—Preparation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/38—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor characterised by the material or the manufacturing process
    • B29C33/3842—Manufacturing moulds, e.g. shaping the mould surface by machining
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/17—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C45/26—Moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/364—Conditioning of environment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20—Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2901/00—Use of unspecified macromolecular compounds as mould material
    • B29K2901/12—Thermoplastic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2905/00—Use of metals, their alloys or their compounds, as mould material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/757—Moulds, cores, dies

Abstract

열전도성 폴리머 재질 금형 부재 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명의 금형 부재는, 열가소성 수지 입자; 상기 열가소성 수지 입자들 사이에서 상호 연결되어 네트워크를 형성하고 있는 금속 또는 이들의 합금을 포함하고, 상기 금속 또는 이의 합금은 상기 열가소성 수지의 융점보다 낮은 융점과 큰 열용량을 가진다.

Description

열전도성 폴리머 재질 금형 부재 및 그 제조방법{Molding member of polymer having good heat conductivity,and method for the same}
본 발명은 열전도성 폴리머 재질 금형 부재의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 선택적 레이저 소결 방식(SLS; Selective Laser Sintering) 3D 프린팅을 이용하여 금속분말이 혼합된 폴리머 재질의 금형 부재를 인쇄하고,이를 후속 열처리함으로써 폴리머 재질 금형 부재 대비 열전도성 및 내열성 등이 우수한 금형 부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
플라스틱 인젝션몰딩과 정밀주조 산업 분야에 있어서 제품의 성능, 가격 및 납기 경쟁력 저하의 병목구간으로 작용하는 공정은 잘 알려진 바와 같이 CNC 가공으로 제작되는 인젝션몰딩용 금형 및 정밀주조용 왁스패턴 제조 금형의 제작 공정이다.
따라서 최근에는 플라스틱 인젝션몰딩 금형 및 정밀주조 왁스패턴 제조용 금형의 제조 납기를 줄이고 제조원가를 저감하기 위한 일환으로 3D 프린팅 공정을 이용하여 폴리머 재질의 금형을 제조하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.
하지만 수천~수십만 개 제품을 생산하기 위해 기존의 금속 재질 금형을 대체하여 3D 프린팅으로 제작한 폴리머 재질의 금형을 적용하는 데에는 아직 많은 기술적 어려움들이 있다. 즉, 금속 재질 몰드 대비 폴리머 소재의 낮은 열전도도와 내열성으로 인해 공정 싸이클 타임이 증가, 제품의 치수 변형 및 금형의 사용수명 단축 등의 문제점이 있다.
따라서 이를 극복하기 위하여, 폴리머 분말에 금속분말을 혼합하여 3D 인쇄 공정으로 금형부재를 인쇄하는 기술도 개발되었으나, 본 기술로 제조된 금형 또한 만족할 만한 강도와 열전도특성을 가지지 못하였다. 그러므로 폴리머 재질을 이용하면서도 열전도성 및 강도가 우수한 금형 부재(코아재)의 개발에 대한 요구가 지속되어 오고 있다.
한국 공개특허 KR제2021-0028867호
본 발명은 수백~수천 개 내외의 인젝션몰딩 부품 및 정밀주조용 왁스패턴을 사출 생산함에 적용할 수 있는, 선택적 레이저 소결 방식(SLS; Selective Laser Sintering) 3D 프린팅을 이용하여 제조된 고열전도성 폴리머 재질의 금형 부재 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 일측면은,
열가소성 수지 입자;
상기 열가소성 수지 입자들 사이에서 상호 연결되어 네트워크를 형성하고 있는 금속 또는 이들의 합금을 포함하고,
상기 금속 또는 이들의 합금은 상기 열가소성 수지의 융점보다 낮은 융점과 큰 열용량을 가지는 열전도성이 우수한 금형부재에 관한 것이다.
상기 열가소성 수지는 PS(Polystyrene), PA(Polyamide), ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PE(Polyethylene), PAN(Polyacrylonitrile), PU(Polyurethane), PC(Polycarbonate), PVC(Polyvinyl chloride), PET(Polyethylene terephthalate), PP(Polypropylene), PCTFE(Polychlorotrifluoroethylene), Nylon 중 하나 일 수가 있다.
상기 금속(합금)은 SnBi계 솔더, SnAg계 솔더, 주석 및 주석계 합금 중 하나일 수가 있다.
상기 제조된 금형부재에서 상기 저융점 금속(합금)이 차지하는 면적 분율이 15~30%인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 측면은,
열가소성 수지 분말과 금속 또는 이들의 합금 분말을 혼합하는 공정;
상기 혼합된 분말을 SLS 방식의 3D 프린팅 공정을 이용하여 금형부재 형상으로 인쇄하는 공정;
상기 인쇄된 금형 부재를 상기 열가소성 수지분말의 융점보다는 낮고 상기 금속 또는 이들의 합금의 융점 보다는 높은 온도에서 환원성분위기에서 열처리하는 공정;을 포함하는 열전도성이 우수한 금형부재 제조방법에 관한 것이다.
상기 열가소성 수지 분말의 크기에 대한 상기 저융점의 금속(합금) 분말의 크기 비가 1/2 보다는 작고 1/10 보다는 크도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기 환원성분위기는 수소분위기일 수가 있다.
상기 열처리는 진공 분위기하에서 행하는 것이 바람직하다.
상술한 구성에 따른 본 발명에 의하면, 종래 폴리머 재질 금형 부재 대비 강도, 열전도도 및 내열성 등 특성이 향상된 금형 부재 및 금형 코어를 효과적으로 제공할 수 있다.
또한 수백~수천 개 내외의 금형 부재 및 금형 코어를 경제성있게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 금형 부재의 제조 기간 단축으로 제조원가를 절감할 수 있는 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 폴리머에 금속 솔더 분말을 혼합하여 열처리한 경우의 소결체의 열전도도 특성을 그렇지 않은 경우와 비교하여 나타낸 그래프로서, 구체적으로, Polystyrene 분말만으로 소결한 경우와 Polystyrene 분말에 Sn42Bi58 Solder 분말을 혼합한 후, 이를 후속 열처리 없이 소결한 경우, 그리고 Polystyrene 분말에 Sn42Bi58 Solder 분말을 혼합한 후, 이를 Solder 면적 분율이 약 23%가 되도록 수소분위기에서 열처리 한후 얻어진 소결체에 대한 열전도도를 평가한 경우를 구분하여 나타내었다.
도 2는 도 1의 Polystyrene 분말에 Sn42Bi58 Solder 분말을 혼합한 후, 이를 열처리한 경우의 소결체에 대한 조직사진을, 열처리하지 않은 경우의 조직사진과 대비하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 열가소성 수지 분말의 크기에 대한 저융점 금속(합금) 분말의 크기 비에 따라 저융점 금속(합금) 분말에 대한 중력에 분리가 발생하는 지 여부를 보여주는 사진이다.
이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명은 선택적 레이저 소결 방식(SLS; Selective Laser Sintering) 3D 프린팅을 이용하여 금속분말이 혼합된 폴리머 재질의 금형 부재를 인쇄하고, 이를 후속 열처리함으로써 폴리머 재질 금형 대비 열전도성 및 내열성 등이 우수한 금형 부재를 제공함을 특징으로 하다.
이러한 본 발명의 금형부재는, 열가소성 수지 입자; 상기 열가소성 수지 입자들 사이에서 상호 연결되어 네트워크를 형성하고 있는 금속 또는 이들의 합금을 포함하고, 상기 금속 또는 이들의 합금은 상기 열가소성 수지의 융점보다 낮은 융점과 큰 열용량을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 금형부재를 이루는 상기 폴리머 소재는 SLS 방식의 3D 프린팅 공정에 적용가능한 열가소성 수지를 제한없이 이용할 수 있으며, 예컨대 PS(Polystyrene), PA(Polyamide), ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PE(Polyethylene), PAN(Polyacrylonitrile), PU(Polyurethane), PC(Polycarbonate), PVC(Polyvinyl chloride), PET(Polyethylene terephthalate), PP(Polypropylene), PCTFE(Polychlorotrifluoroethylene), Nylon 중 하나일 수 있다.
또한 본 발명에서는 상기 금속(합금)으로는 상기 폴리머 소재의 융점보다 낮은 융점을 지니면서도 열용량이 큰 것들을 이용할 수 있다. 예컨대 SnBi계 솔더, SnAg계 솔더, 주석 및 주석계 합금 중 하나를 이용할 수 있다.
또한 본 발명에서는 상기 저융점 금속(합금)은 상기 열가소성 수지 입자들 사이에서 상호 연결되어 네트워크를 형성하고 있음을 특징으로 한다. 상기 열가소성 수지 입자들 사이로 상호 연결되어 네트워크를 형성하고 있는 금속(합금)을 포함하는 금형부재를 제조하기 위해서는, 상기 열가소성 수지인 폴리머 분말과 이러한 폴리머 융점보다 낮은 융점을 갖는 저융점의 금속(합금) 분말로 이루어진 혼합분말을 준비하고, 상기 혼합분말을 이용하여 SLS 방식의 3D 프린팅 공정으로 금형 부재 형상을 제조하고, 이후, 프린팅 제조된 금형 부재를 환원성 분위기에서 열처리할 필요가 있다. 이러한 네트워크의 형성으로 제조된 금형부재의 열전도성 및 강도를 제고할 수 있다.
이때, 본 발명에서는 상기 제조된 금형부재에서 상기 저융점 금속(합금) 분말들이 차지하는 면적 분율이 15~30%인 것이 바람직하다. 만일 상기 금속(합금) 분말의 면적 분율이 15% 미만이면, 상기 열가성 수지 입자들 사이로 상호 연결되어 네트워크를 형성하는 비중이 감소하여 열전도도가 감소하게 된다. 반면에 상기 금속(합금) 분말의 면적 분율이 30%를 초과하면 SLS 방식의 3D 프린팅 공정으로 제조되는 열처리 전 소결체의 강도가 충분하지 않아 형상 정밀성을 유지하는데 불리하고 또한 금형 부재(코어)의 무게가 과도하게 증가하게 될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 강도 및 열전도성이 우수한 금형부재 제조방법을 설명한다.
본 발명의 금형부재 제조방법은, 열가소성 수지 분말과 금속 또는 이들의 합금 분말을 혼합하는 공정; 상기 혼합된 분말을 SLS 방식의 3D 프린팅 공정을 이용하여 금형부재 형상으로 인쇄하는 공정; 상기 인쇄된 금형 부재를 상기 열가소성 수지분말의 융점보다는 낮은 융점을 가지며, 상기 금속 또는 이들의 합금의 융점 보다는 높은 온도에서 환원성분위기에서 열처리하는 공정;을 포함한다.
먼저, 본 발명에서는 상기 열가소성 수지 분말과 금속 또는 이들의 합금 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조한다. 상기 열가소성 수지 및 금속 또는 이들의 합금에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
이때, 본 발명에서는 상기 열가소성 수지 분말의 크기에 대한 상기 저융점의 금속(합금) 분말의 크기 비를 1/2 보다는 작고 1/10 보다는 크도록 제어함이 바람직하다. 만일 상기 크기 비가 1/2 보다 크면 수지 분말 사이의 침입형 위치에 금속 분말이 위치하기 힘들고, 1/10 보다 작으면 수지 분말 사이로 무거운 금속 분말이 중력에 의해 빠져 나가 균일한 분포의 혼합 분말을 형성하는 것이 어려울 뿐만 아니라 레이저 조사 시 금속 분말이 용융될 가능성이 커지기 때문이다.
이어, 본 발명에서는 상기 혼합된 분말을 SLS 방식의 3D 프린팅 공정을 이용하여 금형부재 형상으로 인쇄한다. 이때, 본 발명은 이러한 SLS 방식의 3D 프린팅 공정으로서 잘 알려진 일반적인 공정을 이용할 수 있으며, 특정한 공정조건에 제한되는 것이 아니다.
그리고 본 발명에서는 상기 인쇄된 금형 부재를 상기 열가소성 수지분말의 융점보다는 낮은 융점을 가지며, 상기 금속 또는 이들의 합금의 융점 보다는 높은 온도에서 환원성분위기에서 열처리한다.
상기 열가소성 수지인 폴리머 분말과 그 폴리머 융점(Tm_p)보다 낮은 융점을 지닌 저융점의 금속(합금) 분말로 이루어진 혼합 분말 층에 저입열량 레이저가 조사되면, 열가소성 수지 분말의 경우에는 열전도도가 낮아 분말 내부로까지 열이 전도되지 못하고 일부 표면부만 용융하게 되어 분말의 형상을 유지한 채 분말들이 소결되게 된다. 한편 저융점의 금속(합금) 분말의 융점(Tm_m)은 비록 상기 열가소성 수지 보다 낮지만, 첫째, 열전도도가 커서 분말 내부로까지 열이 전도되게 되어 표면부에 열이 축적되지 않아 표면부 승온 효과가 낮게 되고, 둘째, 열용량이 커서 분말 전체의 승온 효과를 더욱 낮추게 된다. 이에 따라, 상기 열가소성 수지인 폴리머와는 달리 금속(합금)은 용융을 위해서는 용융잠열이 추가적으로 필요하게 되어, 결국 열가소성 수지 분말의 표면부가 용융 소결되는 동안 금속(합금) 분말 상태를 그대로 유지되는 것이다.
따라서 본 발명에서는 상기 인쇄된 금형 부재를 상기 열가소성 수지분말의 융점보다는 낮은 융점을 가지며, 상기 금속 또는 이들의 합금의 융점 보다는 높은 온도에서 열처리할 것이 요구된다. 이러한 조건 하에서 열처리를 하게되면 금속 분말의 산화 스케일이 제거되면서 용융되고, 용융으로 인해 금속 분말의 부피가 팽창하게 되어 용융 금속 분말들이 서로 접촉하게 되어 상기 열가소성 수지 입자들 사이에서 상호 연결되어 네트워크를 형성 열전도 경로가 생성할 수 있게 된다.
이때, 본 발명에서는 상기 SLS 방식으로 프린팅 제조된 금형 부재를 환원성 분위기, 예컨대 수소분위기하에서 열처리를 행함이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 진공 분위기하에서 열처리를 행하는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 고열전도성 폴리머 재질 금형 부재는 폴리머(열가소성 수지)분말과 금속(저융점 금속/합금)분말로 이루어진 혼합분말을 이용하여 SLS 방식의 3D 프린팅 공정으로 금형 부재를 인쇄하고, 이후 이를 환원성 분위기에서 열처리함으로서 제조될 수 있다.
이러한 방법을 이용하여 제조된 본 발명의 금형부재는, 금속 또는 이들의 합금 분말이 열가소성 수지 입자들 사이에서 상호 연결되어 네트워크를 형성하고 있음으로써 우수한 열전도성 등을 가질 수가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예 1)
평균 입자 크기 200㎛의 Polystyrene 분말(융점 270℃)과 평균 입자 크기 30㎛의 Sn42Bi58 Solder(융점 138℃) 분말을 혼합하였다. 이어, 상기 혼합 분말을 이용하여 혼합된 분말을 SLS 방식의 3D 프린팅 공정을 이용하여 소정의 형상으로 인쇄하였다. 후속하여, 상기 인쇄된 성형품을 약 200℃ 수소분위기에서 열처리하여 최종 소결제품을 얻었다. 한편 이때, 제조된 소결제품에서 금속합금 Solder의 면적 분율은 대략 23%였다.
한편 비교를 위하여, 먼저, 평균 입자 크기 200㎛의 Polystyrene 분말(융점 270℃)만을 이용하여 SLS 방식의 3D 프린팅으로 소정의 형상으로 인쇄한 후, 후속 열처리없이 성형품을 제조하였다. 또다르게는 평균 입자 크기 200㎛의 Polystyrene 분말(융점 270℃)과 평균 입자 크기 30㎛의 Sn42Bi58 Solder(융점 138℃) 분말을 혼합한 후, 이를 SLS 방식의 3D 프린팅으로 소정의 형상으로 인쇄하고, 이어, 후속 열처리없이 성형품을 제조하였다.
도 1은 상기 실시예에서 폴리머에 합금 솔더 분말을 혼합하여 열처리한 경우의 소결체의 열전도도 특성을 그렇지 않은 경우와 비교하여 나타낸 그래프로서, 구체적으로, Polystyrene 분말만으로 성형한 경우와 Polystyrene 분말에 Sn42Bi58 Solder 분말을 혼합한 후, 이를 후속 열처리 없이 성형한 경우, 그리고 Polystyrene 분말에 Sn42Bi58 Solder 분말을 혼합한 후, 이를 Solder 면적 분율이 약 23%가 되도록 수소분위기에서 열처리한 후 얻어진 소결체에 대한 열전도도를 평가한 경우를 구분하여 나타내었다.
도 1에 나타난 바와 같이, 열처리를 거치지 않은 Polystyrene/Solder 소결체의 열전도도는 열처리전의 Polystyrene 분말 소결체 대비 약 7배, 그리고 수소분위하에서 열처리를 거친 Polystyrene/Solder 소결체의 열전도도는 열처리전의 Polystyrene 분말 소결체 대비 약 14배 열전도성이 개선됨을 확인할 수 있다.
한편 도 2는 도 1의 Polystyrene 분말에 Sn42Bi58 Solder 분말을 혼합한 후, 이를 열처리한 경우의 소결체에 대한 조직사진을, 열처리하지 않은 경우의 조직사진과 대비하여 나타낸 것이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 소결체를 수소 분위기에서 열처리하는 경우, 금속합금 Solder의 melting, expansion, coalescence에 의해 연속된 열전도 경로가 형성되어 전체적으로 네트워크를 형성하고 있음을 알 수 있다.
(실시예 2)
본 발명에 있어서, 열가소성 수지 분말의 크기 대비 저융점의 금속(합금) 분말의 크기의 비가 1/7일 경우와 1/14인 경우의 중력에 따른 분리가 발생하는 여부를 실험하였다.
도 3은 본 발명의 열가소성 수지 분말의 크기에 대한 저융점 금속(합금) 분말의 크기 비에 따라 저융점 금속(합금) 분말에 대한 중력에 분리가 발생하는 지 여부를 보여주는 사진이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 상기 크기 비가 1/7인 혼합분말의 경우, 중력에 의한 분리가 일어나지 않은 반면, 그 크기 비가 1/14인 경우에는 중력에 의해 솔더 분말이 수지 분말 사이를 빠져나가 분리가 일어남을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 열가소성 수지 분말과 금속 또는 이의 합금 분말을 혼합하는 공정;
    상기 혼합된 분말을 SLS 방식의 3D 프린팅 공정을 이용하여 금형부재 형상으로 인쇄하는 공정;
    상기 인쇄된 금형 부재를 상기 열가소성 수지분말의 융점보다는 낮고 상기 금속 또는 이의 합금의 융점 보다는 높은 온도에서 환원성분위기에서 열처리함으로써 금형부재를 제조하는 공정;을 포함하고,
    상기 열가소성 수지 분말의 크기에 대한 상기 금속 또는 이의 합금 분말의 크기 비를 1/2 보다는 작고 1/10 보다는 크도록 제어하며, 그리고
    상기 제조된 금형부재는,
    상기 열가소성 수지 입자들 사이에서 상호 연결되어 네트워크를 형성하고 있는 금속 또는 이들의 합금을 포함하고,
    상기 금속 또는 이의 합금은 상기 열가소성 수지의 융점보다 큰 열용량을 가지며, 그리고
    상기 금속 또는 이의 합금이 차지하는 면적 분율이 15~30%인 열전도성이 우수한 금형부재 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제 5항에 있어서, 상기 환원성분위기는 수소분위기인 것을 특징으로 하는 열전도성이 우수한 금형부재 제조방법.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 열처리는 진공 분위기하에서 행하는 것을 특징으로 하는 열전도성이 우수한 금형부재 제조방법.
KR1020210161463A 2021-11-22 2021-11-22 열전도성 폴리머 재질 금형 부재 및 그 제조방법 KR102580264B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210161463A KR102580264B1 (ko) 2021-11-22 2021-11-22 열전도성 폴리머 재질 금형 부재 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210161463A KR102580264B1 (ko) 2021-11-22 2021-11-22 열전도성 폴리머 재질 금형 부재 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230076901A KR20230076901A (ko) 2023-06-01
KR102580264B1 true KR102580264B1 (ko) 2023-09-22

Family

ID=86770699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210161463A KR102580264B1 (ko) 2021-11-22 2021-11-22 열전도성 폴리머 재질 금형 부재 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102580264B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180243948A1 (en) * 2015-09-02 2018-08-30 Stratasys Ltd. 3-d printed mold for injection molding

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101257693B1 (ko) * 2008-11-05 2013-04-24 제일모직주식회사 전기절연성 고열전도성 수지 조성물
KR102235921B1 (ko) 2019-09-05 2021-04-05 주식회사 히즈시스템 3d 프린터를 이용한 금형 제조 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180243948A1 (en) * 2015-09-02 2018-08-30 Stratasys Ltd. 3-d printed mold for injection molding

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230076901A (ko) 2023-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210205888A1 (en) Feedstock for 3d printing, preparation method and application thereof
US2998397A (en) Bearing element comprising thermoplastic resin and sintered teflon particles
US20090022615A1 (en) Method of molding complex structures using a sacrificial material
EP2709827B2 (en) Polymer additive layer manufacturing
CA2234266A1 (en) Method of forming articles using thermosetting materials
Dimov et al. Rapid tooling applications of the selective laser sintering process
CN101289575A (zh) 复合粉末,其在成型法中的用途以及由此粉末制得的成形体
JPH11216779A (ja) 粉末状材料の選択的レーザー焼結により成形体を製造する方法
Kumar et al. 3D PRINTING OF FLEXIBLE PARTS USING EVA MATERIAL.
KR102580264B1 (ko) 열전도성 폴리머 재질 금형 부재 및 그 제조방법
KR20230093185A (ko) 티타늄-코발트 합금 및 관련된 틱소포밍 방법
KR101875703B1 (ko) 3d 프린터용 필라멘트 조성물
CN108311689B (zh) 粉末注射成型喂料及其制备方法和应用
Liu-Lan et al. Microstructure of selective laser sintered polyamide
CN109333859B (zh) 3d打印构件的制备方法及3d打印空间构件
KR102010649B1 (ko) 3차원 금속 구조체의 제조 방법
US20200254682A1 (en) Foaming tool
Arivarasi et al. 3D Printing of Copper Filament for Layered Fabrication
KR102109596B1 (ko) 고강도금속표면에 패턴 형성 방법
US11465362B2 (en) Methods and systems for increasing print speed during additive manufacturing
CN111518363A (zh) 一种含peek的3d打印材料及其3d打印方法
JPS6163426A (ja) 電磁波遮蔽成形物の製造方法
Gibson et al. Rapid tooling
Lakshminarayan et al. Manufacture of iron-copper composite parts using selective laser sintering(SLS)
Przestacki et al. An overview of selective laser sintering technologies

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)