KR102630619B1 - 3d 프린터용 조성물, 이를 이용한 3d 프린터용 필라멘트 및 이를 이용한 조형물 제조방법 - Google Patents
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Abstract
3D 프린터용 조성물, 이를 이용한 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 이용한 조형물 제조방법이 제공된다. 상기 3D 프린터용 조성물은, 80~95 중량%의 금속 분말; 및 5~20 중량%의 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지;를 혼합하여 이루어지고, PEG(Polyethylene glycol) 수지, PET(Polyethylene terephthalate)에 글리콜(G)을 분자수준으로 첨가하여 변성된 수지인 PETG 수지 및 D-락트산 중 어느 하나를 선택하여 상기 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지와 혼합하여 상기 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지의 용융온도를 200℃ 이하의 저융점 온도를 가지도록 성질을 변경할 수 있다.
Description
본 발명은 3D 프린터용 조성물, 이를 이용한 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 이용한 조형물 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로 고분자 수지의 용융점을 낮춰 저온 압출이 가능한 고강도의 금속 성질을 갖는 제품을 프린팅할 수 있는 3D 프린터용 조성물, 이를 이용한 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 이용한 3D 조형물 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 3D 프린터는 특정 소프트웨어에 의해서 작성된 3차원 설계도에 기초해서 연속적인 계층의 물질을 분사해서 3차원 물체를 제조하는 장치로, 개발 초기에는 주로 시제품의 제작에 사용되었으나, 최근에는 선박, 자동차, 건축, 의료, 식품 등 산업의 전분야에서 널리 이용되고 있고, 또한 소비자가 자기만의 스타일과 디자인으로 물건을 맞춤 생산하기 위한 용도로도 이용이 확대되고 있다. 사용되는 원료의 종류에 따라 FFF(Fused Filament Fabrication), FDM(Fused Deposition Modeling) 방식, DLP(Digital Light Processing) 방식, SLS(Selective Laser Sintering) 방식 등으로 분류될 수 있다. 여기에서, FFF 및 FDM 방식에서는 고체 필라멘트를 원료로 사용하고, DLP 방식에서는 액체의 원료를 사용하며, SLS 방식에서는 파우더 형태의 원료를 사용할 수 있다.
상기 방식 중에서 열가소성 플라스틱을 필라멘트 형태로 제조하여 사용하는 FDM방식이 3D 프린터의 가격이 비교적 저렴하고 타 방식보다 프린팅 속도가 빠르기 때문에 가장 널리 대중화되어 있다.
FDM방식에는 일반적으로 3D 조형물을 형성할 때 베드 접착력 및 층(layer)간 접착력이 우수하고, 형태 안정성이 좋다는 이유로 폴리락트산(Polylactic acid, PLA), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), HDPE, 폴리카보네이트 (Polycarbonate, PC) 등의 딱딱한 소재와 열가소성 탄성체와 같은 유연한 소재가 사용되고 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것을 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여서는 안될 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 3D 프린터용 조성물, 이를 이용한 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 이용한 조형물 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 조성물은, 80~95 중량%의 금속 분말; 및 5~20 중량%의 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지;를 혼합하여 이루어지고, PEG(Polyethylene glycol) 수지, PET(Polyethylene terephthalate)에 글리콜(G)을 분자수준으로 첨가하여 변성된 수지인 PETG 수지 및 D-락트산 중 어느 하나를 선택하여 상기 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지와 혼합하여 상기 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지의 용융온도를 200℃ 이하의 저융점 온도를 가지도록 성질을 변경할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지의 성질 변경은, 상기 폴리락트산 수지 100 중량부에 5~35 중량%의 PEG(Polyethylene glycol) 수지;를 혼합할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지의 성질 변경은, 상기 폴리락트산 수지 100 중량부에 1~20 중량%의 PETG 수지;를 혼합할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지의 성질 변경은, 상기 폴리락트산 수지 100 중량부에 70~99% 비율의 D-락트산을 혼합할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 금속 분말은 큰 입자와 작은 입자로 이루어지고, 상기 큰 입자의 크기는 100~500micron이며, 상기 작은 입자의 크기는 500nm~100micron이고, 상기 큰 입자와 작은 입자는 5:5~7:3의 비율로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 금속 분말은, 알루미늄(Al), 스테인리스(SUS), 티타늄(Ti), 세라믹, 인코넬(Inconel), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 인듐(In), 몰리브데늄(Mo), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 주석(Sn) 중중 적어도 하나 이상의 금속 분말 또는 금속의 합금 분말이고, 상기 금속 분말은 상기 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지와 혼합하기 전에 상기 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지와 동질 혹은 이질의 수지를 이용하여 코팅될 수 있다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트는, 3D 프린터용 조성물을 이용하여 압출되는 선재 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트를 이용한 제조방법은, 80~95 중량%의 금속 분말과 5~20 중량%의 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지를 혼합하여 3D 프린터용 조성물을 제조하는 단계; 상기 3D 프린터용 조성물을 압출하여 펠릿을 제조하는 단계; 및 상기 펠릿을 180~250℃로 가열하여 노즐로 압출하여 3D 프린터용 필라멘트를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 3D 프린터용 조성물을 제조하는 단계는, PEG(Polyethylene glycol) 수지, PET(Polyethylene terephthalate)에 글리콜(G)을 분자수준으로 첨가하여 변성된 수지인 PETG 수지 및 D-락트산 중 어느 하나를 선택하여 상기 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지와 혼합하여 상기 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지의 용융온도를 200℃ 이하의 저융점 온도를 가지도록 성질을 변경할 수 있다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트를 이용한 조형물 제조방법은, 3D 프린터용 조성물로 제조된 3D 프린터용 필라멘트를 이용하여 조형물을 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 조형물 제조하는 단계는, 금속 분말 성분과 고분자 수지 성분으로 이루어진 조성물을 성형하여 성형물을 생성하는 단계; 및 상기 성형물을 소결로에 투입하여 상기 고분자 수지 성분은 탈지시키고, 상기 금속 분말 성분은 소결한 후 성형물을 성형하여 금속 조형물로 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 소결로에서 상기 금속 분말 성분의 소결 공정은 진공, 수소 혹은 불활성가스 분위기(Ar, N2)에서 600℃에서 1200℃까지 온도를 상승시키고, 1200℃에서 2~5시간동안 유지할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 융점이 낮아 압출이 가능하여 필라멘트 형태로 가공하기 용이한 저융점의 고분자 수지를 포함하는 3D 프린터용 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, FFF(Fused Filament Fabrication) 또는 FDM(Fused Deposition Modeling)용 3D 프린터를 이용하여 고분자 수지의 용융점을 낮춰 낮은 온도에서 필라멘트 형태로 압출 성형이 가능함으로써, 전도성이 높으면서 고강도의 금속 성질을 갖는 제품을 프린팅할 수 있다.
3D 프린터용 필라멘트를 이용하여 낮은 온도에서 프린팅이 가능하여 냉각 시간을 단축시켜 3D 프린팅 시간을 최소화하면서 기계적 물성이 우수한 고강도의 금속 조형물을 제조할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 조성물, 이를 이용한 3D 프린터용 필라멘트 및 그 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 3D 프린터용 조성물에 대한 탈지 공정 및 소결 공정이 수행되는 소결로의 온도 및 시간을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 폴리락트산 수지에 PETG 수지를 혼합한 경우 용융온도를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 3D 프린터용 조성물에 대한 탈지 공정 및 소결 공정이 수행되는 소결로의 온도 및 시간을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 폴리락트산 수지에 PETG 수지를 혼합한 경우 용융온도를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 조성물을 이용한 3D 프린터용 필라멘트 제조방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 3D 프린터용 조성물에 대한 탈지 공정 및 소결 공정이 수행되는 소결로의 온도 및 시간을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 조성물을 이용한 3D 프린터용 필라멘트 제조방법은 원료준비단계, 원료혼합단계, 펠릿제조단계, 필라멘트제조단계 및 제품화단계를 포함할 수 있다. 이때, 3D 프린터용 조성물을 이용한 3D 프린터용 필라멘트 제조방법은 외부환경조건에 영향을 받지 않는 별도의 공간 예를 들어 온습도, 압력 등 제조 조건을 제어할 수 있는 장비가 구비된 챔버 내부에서 이루어질 수 있지만, 이에 한정하지 않는다.
우선, 원료준비단계는 주재료인 고분자 수지와 금속 분말을 준비할 수 있다.
고분자 수지는 120 내지 250℃의 저온 압출이 가능한 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA)일 수 있지만, 이에 한정하지 않는다. 예를 들어, 고분자 수지는 ABS(Acrylonitile Poly-Butadiene Styrene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthalate; PET), 폴리카프로락톤(poly caprolactone), 폴리락타이드-글리콜라이드(poly lactide-co-glycolide), 폴리글리콜산(polygaycolic acid; PGA), 내충격폴리스티렌(High Impact Polystyrene; HIPS), 폴리비닐알콜(Poly-Vinyl Alcohol; PVA), 고밀도폴리에틸렌(High Density Polyethylene; HDPE), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC) 및 나일론(Nylon) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 폴리락트산 수지는 PEG(Polyethylene glycol) 또는 PET(Polyethylene terephthalate)에 글리콜(G)을 분자수준으로 첨가하여 변성시킨 PETG(글리콜 변성 PET)을 포함할 수 있다.
또한, 폴리락트산 수지는 L-락트산, L-락트산 및 D-락트산 또는 이들의 혼합일 수 있다.
이때, 폴리락트산 수지는 40 내지 120℃에서 2시간 이상 건조하여 함수율 1% 이하일 수 있다. 예를 들어, 고분자 수지의 함수율이 1%를 초과하는 경우 제조되는 3D 프린터용 필라멘트에 수분이 함유된 기포가 생성되어 불량률을 증가시킬 수 있으므로, 고분자 수지의 함수율이 0.4% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 금속 분말은 알루미늄(Al), 스테인리스(SUS), 티타늄(Ti), 세라믹, 인코넬(Inconel), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 인듐(In), 몰리브데늄(Mo), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 주석(Sn) 중 적어도 하나 이상의 금속 분말 또는 금속의 합금 분말로 이루어질 수 있지만, 이에 한정하지 않는다.
이때, 금속 분말의 입자 크기는 마이크로 크기의 구형의 분말일 수 있다. 즉, 금속 분말의 입자의 크기가 작아질수록 표면 원자의 불완전성이 커지면서 벌크 형태 금속 또는 합금의 융점보다 낮은 온도에서도 원자간 결합을 끊고 자유로워질 수 있기 때문에 압출 온도를 현저하게 낮출 수 있다. 또한 마이크로 크기의 분말로서 3D 프린터용 조성물에 포함되어 고분자 수지와의 우수한 혼합성을 가질 수 있다.
실시예에 따라, 금속 분말의 입자 크기는 종류에 따라 서로 상이하게 형성될 수 있다.
예를 들어, 금속 분말의 입자가 큰 입자와 작은 입자로 이루어진 경우, 큰 입자와 작은 입자는 5:5~7:3의 비율로 혼합될 수 있다. 이때, 큰 입자의 크기는 100~500micron이고, 작은 입자의 크기는 500nm~100micron일 수 있지만, 이에 한정하지 않는다.
이와 같이, 서로 상이한 크기의 입자로 이루어진 금속 분말이 혼합됨에 따라, 큰 입자 분말 사이에 작은 입자 분말이 혼합되어 금속 분말이 서로 최밀충전되어 금속 분말 사이의 결합력이 증가함에 따라 강도가 증진될 수 있다.
이때, 금속 분말은 일반적인 코팅 장치 블렌더 등을 이용하여 코팅제가 외부 표면에 코팅될 수 있다. 즉, 금속 분말이 코팅제로 코팅됨으로써, 금속 분말의 계면 개질이 변경되어 3D 프린터용 조성물 제조시 고분자 수지와의 혼합력이 향상되어 응집력이 높은 3D 프린터용 조성물이 제조될 수 있다.예를 들어, 금속 분말은 폴리락트산 수지와 혼합하기 전에 폴리락트산 수지와 동질 혹은 이질의 수지를 이용하여 미리 코팅될 수 있다. 즉, 폴리락트산 수지와 동질 혹은 이질의 수지에 의해 코팅됨으로써, 폴리락트산 수지와의 혼합력이 더욱 증가할 수 있다.
다음으로, 원료혼합단계는 고분자 수지와 금속 분말을 혼합하여 3D 프린터용 조성물을 생성할 수 있다.
구체적으로, 고분자 수지와 금속 분말을 혼합한 후, 감압 건조할 수 있다. 이때, 금속 분말은 혼합 금속 분말로써, 서로 다른 입자의 크기를 갖는 분말이 포함될 수 있다.
감압 건조된 혼합물에 첨가제를 혼합하여 3D 프린터용 조성물을 생성할 수 있다. 여기서, 첨가제는 결합제, 열안정제, 산화방지제, 광안정제, 이형제, 상용화제, 염료, 안료, 착색제, 가소제, 충격보강제, 안정제, 계면활성제 및 윤활제로 구성된 군에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합제는 폴리에틸렌(Polyethylene) 공중합체이고, 가소제는 파라핀 왁스(Paraffinwax)이며, 윤활제는 스테아린산(Stearic acid)일 수 있다.
즉, 첨가제를 혼합물에 추가함으로써, 고분자 수지 및 금속 분말의 혼합성을 향상시킬 수 있다. 이때, 첨가제의 종류 및 중량은 실시예에 따라 상이할 수 있다.
예를 들어, 고분자 수지 100 중량부에 대하여 첨가제가 3 내지 10 중량부로 포함될 수 있다. 첨가제가 3 중량부 미만으로 포함되는 경우, 고분자 수지와 금속 분말의 혼합성 향상 효과가 미미할 수 있고, 첨가제가 10 중량부를 초과하여 포함되는 경우, 필라멘트 압출 시 가공성이 저하되고 이를 포함하는 필라멘트를 이용한 3D 프린터용 시 냉각 속도가 저하될 수 있으므로, 첨가제는 3 내지 10 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서, 3D 프린터용 조성물은 FFF(Fused Filament Fabrication) 또는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식에 적용되는 필라멘트를 제조하는 것일 수 있지만, 이에 한정하지 않는다.
다음으로, 펠릿제조단계는 3D 프린터용 조성물을 이용하여 펠릿을 제조할 수 있다.
3D 프린터용 조성물을 압출하여 소정의 직경을 갖는 구형의 3D 프린터용 펠릿을 제조할 수 있다.
예를 들어, 3D 프린터용 조성물을 압출하여 3Ø 직경 및 3H 길이를 갖는 펠릿으로 제조할 수 있지만, 이에 한정하는 것은 아니다.
다음으로, 필라멘트제조단계는 펠릿을 노즐로 압출하여 필라멘트를 제조할 수 있다. 이때, 팔라멘트는 금속 성분의 함량이 80%이상일 수 있다.
예를 들어, 펠릿을 180~250℃로 가열하여 1.75Ø직경을 갖는 노즐로 압출하여 필라멘트를 제조할 수 있지만, 이에 한정하는 것은 아니다.
제조된 필라멘트는 냉각시킨 후 보빈에 권취할 수 있다.
마지막으로, 제품화단계는 제조된 3D 프린터용 필라멘트를 3D 프린터용 장비를 이용하여 성형 후, 탈지 공정 및 소결 공정에 의해 제품으로 완성할 수 있다. 이때, 3D 프린터용 장비는 FFF(Fused Filament Fabrication) 또는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식에 적용되는 장비일 수 있지만, 이에 한정하지 않는다.
구체적으로, 3D 프린터용 필라멘트를 이용하여 금속 분말 성분과 고분자 수지 성분으로 이루어진 조성물을 성형한 후, 성형된 성형물을 소결로에 투입하여 탈지 공정 및 소결 공정을 수행하여 성형물을 성형하여 금속 조형물로 제품화할 수 있다. 이때, 탈지 공정은 소결로에서 소결 공정에서 함께 이루어지는 것이 바람직하다.
다시 말하면, 3D 프린터용 필라멘트를 용융하여 3D 프린터용 장비를 사용하여 제작된 성형물은, 바인더 즉, 고분자 수지 성분을 제거하는 탈지 공정과 고분자 수지가 제거된 즉, 금속 분말 성분으로만 이루어진 성형물을 소결하는 소결 공정을 수행한 후, 금속 조형물로 제품화할 수 있다
예를 들어, 도 2를 참조하면, 탈지 공정은 성형물을 40~60℃의 증류수 수조에 4~8시간동안 침적하여 폴리락트산 수지를 제거할 수 있고, 소결 공정은 폴리락트산 수지가 제거된 성형물을 70~90℃의 건조오븐에 1~3시간동안 건조시킨 다음, 건조된 성형물을 승온속도 조절이 가능한 소결로에서 진공, 수소 혹은 불활성가스 분위기(Ar, N2)에서 600℃에서 금속 성분에 따라 800~1200℃까지 상승시키고, 온도의 승온에 의해 최고 온도에서 2~5시간을 유지한 후, 냉각 과정을 거쳐서 제품화할 수 있다. 이때, 온도는 600℃에서 1시간 유지하고, 분당 5℃씩 승온하여 1000℃에서 3시간 유지될 수 있지만, 이에 한정하지 않는다.
실시예에 따라, 소결로에서 성형물은 고강도의 금속 조형물을 제품화되기 전에 소결 시에 지지체를 포함하고, 제품화될 때 지지체가 제거될 수도 있다.
이와 같이, 진공, 수소 혹은 불활성가스 분위기(Ar, N2)에서 금속 분말 성분으로만 이루어진 성형물의 승온온도를 낮게 유지하면서 온도의 유지시간을 길게 설정함으로써, 온도 편차로 인한 제품의 무너짐 또는 휨 형상이 발생하지 않을 수 있다.
이하, 실험예를 통해서 융점이 낮아지도록 개질된 3D 프린터용 조성물을 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 폴리락트산 수지에 PETG 수지를 혼합한 경우 용융온도를 설명하기 위한 도면이다.
<실시예 1>
100 중량부에 금속 분말 80~95 중량%와, 폴리락트산 수지 5~20 중량%을 혼합하고, 폴리락트산 수지 100 중량부에 PEG 5~35 중량%를 혼합하여 3D 프린터용 조성물을 제조하였다. 이때, 금속 분말은 알루미늄(Al)과 스테인리스(SUS)의 혼합 분말로써, 혼합 분말 중 100~500micron의 큰 입자와 500nm~100micron의 작은 입자로 구성되며, 큰 입자와 작은 입자는 5:5~7:3의 비율로 포함될 수 있다.
<실시예 2>
100 중량부에 금속 분말 80~95 중량%와, 폴리락트산 수지 5~20 중량%을 혼합하고, 폴리락트산 수지 100 중량부에 PETG 1~20 중량%를 혼합하여 3D 프린터용 조성물을 제조하였다. 이때, 금속 분말은 알루미늄(Al)과 스테인리스(SUS)의 혼합 분말로써, 혼합 분말 중 100~500micron의 큰 입자와 500nm~100micron의 작은 입자로 구성되며, 큰 입자와 작은 입자는 5:5~7:3의 비율로 포함될 수 있다.
<실시예 3>
100 중량부에 금속 분말 80~95 중량%와, 폴리락트산 수지 5~20 중량%을 혼합하고, 폴리락트산 수지 100 중량부에 70~99% 비율의 D-락트산을 혼합하여 3D 프린터용 조성물을 제조하였다. 이때, 금속 분말은 알루미늄(Al)과 스테인리스(SUS)의 혼합 분말로써, 혼합 분말 중 100~500micron의 큰 입자와 500nm~100micron의 작은 입자로 구성되며, 큰 입자와 작은 입자는 5:5~7:3의 비율로 포함될 수 있다.
이와 같이 실시예 1 내지 3으로 제조된 3D 프린터용 조성물을 이용하여 3Ø 직경 및 3H 길이를 갖는 펠릿을 압출하여 제조한 후, 압출기를 이용하여 펠릿을 압출한 후 냉각수조에서 냉각하고 보빈에 권취하여 직경 1.75mm의 3D 프린터용 필라멘트를 제조하였다. 실시예에 따라, 실시예 1 및 실시예 2 또는 실시예 2 및 실시예 3 또는 실시예 1 및 실시예 3 또는 실시예 1 내지 3의 결합될 수 있다.
제조된 3D 프린터용 필라멘트를 이용하여 3D 프린터용 장비를 이용하여 동일한 크기의 조형물을 출력한 후, 물성평가를 통해 필라멘트의 특성을 평가하고, 조형물의 전도성 및 고강도를 평가하였다.
예를 들어, 10점 만점 기준으로 조형물의 프린팅 속도에 따라 필라멘트의 특성을 평가하고, 조형물의 들뜸 또는 크랙이 발생 여부에 조형물의 전도성을 평가하고, 조형물의 흘러내림 또는 기포 등에 따라 조형물의 강도를 평가하였다.
여기서, 비교예는 실시예 1과 같이 폴리락트산 수지 100 중량부에 PEG 5~35 중량% 또는 실시예 2와 같이 폴리락트산 수지 100 중량부에 PETG 1~20 중량% 또는 실시예 3과 같이 폴리락트산 수지 100 중량부에 70~99% 비율의 D-락트산을 혼합하지 않은 예를 나타낸다. 즉, 비교예는 100 중량부에 금속 분말 80~95 중량%와, 폴리락트산 수지 5~20 중량%을 혼합하였다.
다음의 표 1을 참조하면, 100 중량부에 금속 분말 80~95 중량%와, 폴리락트산 수지 5~20 중량%을 혼합하여 조형물을 생성하는 비교예의 경우, 용융온도는 280℃이고, 용융속도는 60~70㎜/se이며, 필라멘트 직경은 2~3Ø로써, 비교예의 전도성과 강도는 실시예 1 내지 3보다 낮고 용융온도가 높아 용융속도가 낮은 것을 알 수 있다.
이에 반해, 실시예 1과 같이 폴리락트산 수지 100 중량부에 PEG 5~35 중량% 또는 실시예 2와 같이 폴리락트산 수지 100 중량부에 PETG 1~20 중량% 또는 실시예 3과 같이 폴리락트산 수지 100 중량부에 70~99% 비율의 D-락트산을 혼합한 3D 프린터용 조성물을 이용하여 조성물을 생성하는 경우, 용융온도는 200℃ 이하여서 용융속도는 40~50㎜/se로 비교예에 비해 빠르게 용융되면서 필라멘트 직경은 1~7Ø로써, 전도성과 강도는 비교예보다 높은 것을 알 수 있다.
특히, 도 3을 참조하면, 실시예 2와 같이, 폴리락트산 수지에 PET(Polyethylene terephthalate)에 글리콜(G)을 분자수준으로 첨가하여 변성된 수지인 PETG 수지를 혼한합 경우, 폴리락트산 수지의 용융온도가 낮아지는 것을 알 수 있다.실시예에 따라, 비교예는 실시예 1 및 실시예 2 또는 실시예 2 및 실시예 3 또는 실시예 1 및 실시예 3 또는 실시예 1 내지 3의 결합의 또 다른 실시예와 비교될 수도 있다. 본원 발명의 또 다른 실시예는 비교예에 비해 용융온도는 200℃ 이하여서 전도성과 강도가 더욱 높을 수 있다.
| 용융온도(℃) | 용융속도(㎜/se) | 필라멘트 직경(Ø) | 전도성(mm) | 강도(Pa) | |
| 비교예 | 280℃ | 60~70㎜/se | 2~3Ø | 9.1mm | 8.9Pa |
| 실시예 1 | 198℃ | 40~50㎜/se | 1.75Ø | 9.2mm | 9.2Pa |
| 실시예 2 | 200℃ | 40~50㎜/se | 1.73Ø | 9.1mm | 9.7Pa |
| 실시예 3 | 180℃ | 40~50㎜/se | 1.71Ø | 9.0mm | 8.9Pa |
구체적으로, 비교예에 비해 실시예 1 내지 3을 이용하여 제조된 3D 프린터용 필라멘트를 이용함으로써, 낮은 온도에서 프린팅이 가능하여 냉각 시간을 단축시켜 3D 프린팅 시간을 최소화하면서 고강도의 조형물을 제조할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (10)
- 3D 프린터용 조성물에 있어서,
100 중량%에 80~95 중량%의 금속 분말;
5~20 중량%의 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지; 및
첨가제;를 포함하고,
상기 폴리락트산 수지는 PEG(Polyethylene glycol) 수지, PET(Polyethylene terephthalate)에 글리콜(G)을 분자수준으로 첨가하여 변성된 수지인 PETG(글리콜 변성 PET) 수지 및 D-락트산 중 어느 하나를 선택하여 혼합되어 용융온도가 200℃ 이하의 저융점 온도를 갖도록 성질이 변경되고,
상기 첨가제는 상기 금속 분말과 혼합한 후 감압 건조된 상기 폴리락트산 수지의 100 중량%에 3~10 중량%으로 포함되고,
상기 금속 분말은 알루미늄(Al), 스테인리스(SUS), 티타늄(Ti), 세라믹, 인코넬(Inconel), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 인듐(In), 몰리브데늄(Mo), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 주석(Sn) 중 적어도 하나 이상의 금속 분말 또는 금속의 합금 분말로 이루어지며, 상기 폴리락트산 수지와 혼합하기 전에 상기 폴리락트산 수지와 동질 혹은 이질의 수지를 이용하여 외부 표면이 코팅되고,
상기 3D 프린터용 조성물은 금속 성분의 함량이 80% 이상을 갖는, 3D 프린터용 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 폴리락트산 수지의 성질 변경은,
상기 폴리락트산 수지 100 중량부에 5~35 중량%의 PEG(Polyethylene glycol) 수지를 선택하여 혼합하거나,
상기 폴리락트산 수지 100 중량부에 1~20 중량%의 PETG 수지를 선택하여 혼합하거나,
상기 폴리락트산 수지 100 중량부에 70~99% 비율의 D-락트산을 선택하여 혼합하는, 3D 프린터용 조성물. - 삭제
- 삭제
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- 제1항 및 제2항 중 어느 한 항의 3D 프린터용 조성물을 이용하여 압출되는 선재 형상으로 이루어지는 3D 프린터용 필라멘트;를 포함하는, 3D 프린터용 필라멘트.
- 80~95 중량%의 금속 분말, 5~20 중량%의 폴리락트산(Poly-Lactic Acid; PLA) 수지 및 상기 금속 분말과 혼합한 후 감압 건조된 상기 폴리락트산 수지 100 중량%에 3~10 중량%의 첨가제를 혼합하여 3D 프린터용 조성물을 제조하는 단계;
상기 3D 프린터용 조성물을 압출하여 펠릿을 제조하는 단계; 및
상기 펠릿을 180~250℃로 가열하여 노즐로 압출하여 금속 성분의 함량이 80% 이상을 갖는 3D 프린터용 필라멘트를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 3D 프린터용 조성물을 제조하는 단계는,
PEG(Polyethylene glycol) 수지, PET(Polyethylene terephthalate)에 글리콜(G)을 분자수준으로 첨가하여 변성된 수지인 PETG(글리콜 변성 PET) 수지 및 D-락트산 중 어느 하나를 선택하여 상기 폴리락트산 수지와 혼합하여 상기 폴리락트산 수지의 용융온도를 200℃ 이하의 저융점 온도를 가지도록 성질을 변경하고,
상기 금속 분말은 상기 폴리락트산 수지와 혼합하기 전에 상기 폴리락트산 수지와 동질 혹은 이질의 수지를 이용하여 외부 표면이 코팅되는, 3D 프린터용 조성물을 이용한 3D 프린터용 필라멘트 제조방법. - 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 기재된 3D 프린터용 조성물로 제조되어 금속 성분의 함량이 80% 이상을 갖는 3D 프린터용 필라멘트를 이용하여 조형물을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 조형물 제조하는 단계는,
금속 분말 성분, 고분자 수지 성분 및 첨가제 성분으로 이루어진 조성물을 성형하여 성형물을 생성하는 단계; 및
상기 성형물을 소결로에 투입하여 상기 고분자 수지 성분은 탈지시키고, 상기 금속 분말 성분은 소결한 후 성형물을 성형하여 금속 조형물로 생성하는 단계;를 포함하고,
상기 소결로에서 상기 금속 분말 성분의 소결 공정은 진공, 수소 혹은 불활성가스 분위기(Ar, N2)에서 600℃에서 1200℃까지 온도를 상승시키고, 1200℃에서 2~5시간동안 유지하는, 3D 프린터용 필라멘트를 이용한 조형물 제조방법. - 삭제
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