KR102638869B1 - 세라믹계 순환자원을 이용하는 3d프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 시멘트 100중량부에 대하여 10중량부 내지 25 중량부 첨가되는 플라이애시, 시멘트 100중량부에 대하여 15중량부 내지 25중량부 첨가되는 소성점토, 시멘트 100중량부에 대하여 0.05 중량부 내지 0.15중량부 첨가되는 폐석고 분말을 포함하여 이루어지는 결합재; 시멘트 복합체 조성물의 점성 부여를 통한 출력성을 개선토록 메틸셀룰로오스계를 사용하고 상기 결합재 100중량부에 대하여 0.15중량부 내지 0.40중량부 첨가되는 증점제; 및 출력물의 균열저항성 확보 및 내화성능 개선을 위하여 EVCL(Ethylene Vinyl chloride) 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)로 이루어지고, 상기 결합재 100중량부에 대하여 2.5중량부 내지 7.5중량부 첨가되는 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 잔골재에 굴패각 및 폐섬유가 함유되므로 3D프린터로부터 분사되는 시멘트 복합체의 층간 부착성능이 향상되고, 시멘트 복합체의 비표면적 향상되며, 본 발명에 따른 3D 프린터의 시멘트 복합체가 노즐부로부터 토출될 때에 급결제를 동시에 분사하여 출력물이 토출된 후에 짧은 시간 내에 경화가 이루어지므로 구조물의 일정한 층간 높이를 유지하여 해상에 설치되는 인공어초의 일정한 외관 및 품질을 확보할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 잔골재에 굴패각 및 폐섬유가 함유되므로 3D프린터로부터 분사되는 시멘트 복합체의 층간 부착성능이 향상되고, 시멘트 복합체의 비표면적 향상되며, 본 발명에 따른 3D 프린터의 시멘트 복합체가 노즐부로부터 토출될 때에 급결제를 동시에 분사하여 출력물이 토출된 후에 짧은 시간 내에 경화가 이루어지므로 구조물의 일정한 층간 높이를 유지하여 해상에 설치되는 인공어초의 일정한 외관 및 품질을 확보할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 시멘트 복합체의 유동성을 설정치 이상으로 유지하여 압출적층방식(MEM, Material Extrusion Method)의 3D프린터를 이용하여 이루어지는 구조물 제작을 용이하게 진행할 수 있고, 제작이 완료된 후에 구조물의 압축강도가 설정치 이상 유지되어 인공어초 등의 해상 구조물로 사용할 수 있으며, 폐기되는 세라믹계 순환자원을 회수하여 시멘트 복합체 조성물을 이루므로 환경오염을 방지할 수 있는 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 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 시멘트 복합체의 유동성을 설정치 이상으로 유지하여 압출적층방식(MEM, Material Extrusion Method)의 3D프린터를 이용하여 이루어지는 구조물 제작을 용이하게 진행할 수 있고, 제작이 완료된 후에 구조물의 압축강도가 설정치 이상 유지되어 인공어초 등의 해상 구조물로 사용할 수 있으며, 폐기되는 세라믹계 순환자원을 회수하여 시멘트 복합체 조성물을 이루므로 환경오염을 방지할 수 있는 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 시멘트 100중량부에 대하여 10중량부 내지 25 중량부 첨가되는 플라이애시, 시멘트 100중량부에 대하여 15중량부 내지 25중량부 첨가되는 소성점토, 시멘트 100중량부에 대하여 0.05 중량부 내지 0.15중량부 첨가되는 폐석고 분말을 포함하여 이루어지는 결합재; 시멘트 복합체 조성물의 점성 부여를 통한 출력성을 개선토록 메틸셀룰로오스계를 사용하고 상기 결합재 100중량부에 대하여 0.15중량부 내지 0.40중량부 첨가되는 증점제; 및 출력물의 균열저항성 확보 및 내화성능 개선을 위하여 EVCL(Ethylene Vinyl chloride) 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)로 이루어지고, 상기 결합재 100중량부에 대하여 2.5중량부 내지 7.5중량부 첨가되는 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 나프탈렌계 또는 폴리카본산계로 이루어지고, 상기 결합재 100중량부에 대하여 0.3중량부 내지 1.2중량부 첨가되는 혼화제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 탄산설폰알루미네이트로 이루어지고, 상기 결합재 100중량부에 대하여 5중량부 내지 25중량부로 첨가되는 응결촉진제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 골재; 출력물의 비표면적 향상 및 해양수생식물의 부착성 향상을 위해 입경 5mm 이하의 입도로 이루어지고, 상기 골재 100 중량부에 대하여 15중량부 내지 25중량부가 첨가되는 굴패각; 및 출력물의 층간 부착성능 향상을 위해 폴리프로필렌 또는 폴리에스터로 이루어고, 상기 골재 100중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 0.3 중량부가 첨가되는 폐섬유를 포함하여 이루어지는 잔골재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, (a) 결합재, 증점제, 폴리머, 잔골재, 혼화제, 응결촉진제 및 혼합수를 포함하는 재료 압출방식 3차원 프린터용 시멘트 복합체 조성물을 제조하는 단계; (b) 상기 시멘트 복합체 조성물이 수납되어 가압력에 의해 상기 시멘트 복합체 조성물을 특정한 모양으로 토출시키도록 압출실린더, 노즐, X축 구동부, Y축 구동부 및 Z축 구동부를 포함하는 압출방식 3차원 프린터에 상기 시멘트 복합체 조성물을 재료를 공급하는 단계; (c) 상기 X축 구동부, 상기 Y축 구동부 및 상기 Z축 구동부의 작동에 의해 상기 노즐이 이동되면서 상기 압출실린더의 작동에 의해 상기 시멘트 복합체 조성물을 상기 노즐을 통해 토출시키는 단계; 및 (d) 상기 노즐로부터 토출되는 상기 시멘트 복합체 조성물이 적층되도록 상기 (c)단계를 반복하여 구조물을 성형하는 단계를 포함하고, 상기 시멘트 복합체 조성물은, 시멘트, 플라이애시, 소성점토, 폐석고 분말을 포함하여 이루어지는 결합재; 메틸셀룰로오스계를 사용하는 증점제; 및 EVCL(Ethylene Vinyl chloride) 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)로 이루어지는 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 (C)단계는, 상기 노즐과 인접하게 배치되는 급결제 노즐로부터 급결제가 분사되고, 상기 급결제는 알루미네이트계 또는 알칼리프리계로 이루어지고, 상기 급결제의 분사 압력은 1~2 bar, 상기 급결제의 분사량은 20~30ml/min의 조건으로 적용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 제조방법은, 결합재, 증점제, 폴리머, 잔골재, 혼화제, 응결촉진제 및 혼합수로 이루어지는 조성물에 의해 시멘트 복합체가 제조되므로 구조물의 균열저항성을 확보할 수 있고, 구조물의 층간 부착강도 및 적층성을 개선할 수 있어 3D프린터에 의해 제조되는 구조물을 해양 인공어초로 사용할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 제조방법은, 나프탈렌계 또는 폴리카본산계 중 어느 하나가 혼화제로 사용되므로 시멘트 복합체의 유동성 및 내동해성을 개선할 수 있고, 탄산설폰알루미네이트가 응결촉진제로 사용되므로 출력물의 적층성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 제조방법은, 결합재 중 폐석고분말이 사용되어 압출 실린더 내 시멘트 복합체의 유동성을 유지하는 시간을 충분히 확보할 수 있어 시멘트 복합체의 작업성을 유지하고, 골재 중 폐섬유 분말 및 굴패각이 포함되므로 3D프린터로부터 분사되는 시멘트 복합체의 층간 부착성능이 향상되며, 시멘트 복합체의 비표면적 향상되는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 제조방법은, 3D 프린터의 시멘트 복합체가 노즐부로부터 토출될 때에 급결제를 동시에 분사하여 출력물이 토출된 후에 짧은 시간 내에 경화가 이루어지므로 구조물의 일정한 층간 높이를 유지하여 해상에 설치되는 인공어초의 일정한 외관 및 품질을 확보할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터가 도시된 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물과 비교되는 비교예1에 의해 제조되는 인공어초의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물과 비교되는 비교예2에 의해 제조되는 인공어초의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물을 이용하는 구조물 제조방법에 의해 제조되는 인공어초의 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물과 비교되는 비교예1에 의해 제조되는 인공어초의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물과 비교되는 비교예2에 의해 제조되는 인공어초의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물을 이용하는 구조물 제조방법에 의해 제조되는 인공어초의 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 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 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터가 도시된 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물과 비교되는 비교예1에 의해 제조되는 인공어초의 사진이다.
또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물과 비교되는 비교예2에 의해 제조되는 인공어초의 사진이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물을 이용하는 구조물 제조방법에 의해 제조되는 인공어초의 사진이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물은, 결합재, 증점제, 폴리머, 잔골재, 혼화제, 응결촉진제 및 혼합수를 포함하여 이루어진다.
본 실시예의 결합재는 시멘트에 플라이 애시와 소성점토가 첨가된 것으로, 플라이애시는, 시멘트 100중량부에 대하여 플라이애시 10중량부 내지 25 중량부 첨가되고, 소성점토는 입경 75μm 이하의 것으로 시멘트 복합체의 내구성 및 압축강도 증진을 위해 800℃ 이상에서 소성된것으로 시멘트 100중량부에 대하여 소성점토 15중량부 내지 25 중량부가 첨가된다.
또한, 본 실시예의 결합재는 3D 프린터용 압출실린더(20) 내부에서 시멘트 복합체의 가사시간 확보를 위해 시멘트 100중량부에 대하여 입경 75μm 이하의 폐석고 분말 0.05중량부 내지 0.15 중량부가 첨가된다.
본 실시예의 증점제는 메틸셀룰로오스계를 사용하고 시멘트 복합체 조성물의 점성 부여를 통한 출력성 개선을 위하여 결합재 100중량부에 대하여 0.15중량부 내지 0.40중량부가 첨가된다.
본 실시예의 폴리머는, 출력물의 균열저항성 확보를 위하여 EVCL(Ethylene Vinyl chloride) 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)로 이루어지고, 폴리머는 결합재 100중량부에 대하여 2.5중량부 내지 7.5중량부가 첨가된다.
본 실시예의 혼화제는, 나프탈렌계 또는 폴리카본산계로 이루어지고, 혼화제는, 결합재 100중량부에 대하여 0.3중량부 내지 1.2중량부 첨가되고, 세라믹 복합체의 유동성 및 내동해성을 개선하게 된다.
본 실시예의 응결촉진제는, 탄산설폰알루미네이트로 이루어지고, 결합재 100중량부에 대하여 5중량부 내지 25중량부가 첨가되고, 응결촉진제에 의해 출력물의 적층성 확보할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예의 골재는 규사 6호 또는 규사 7호 중 선택되는 어느 한 가지를 선택하여 이루어지고, 골재는 길이 1~5mm의 폐섬유와 입경 5mm 이하의 굴패각이 첨가된다.
여기서, 본 실시예의 폐섬유는, 골재 100중량부에 대하여 폐섬유 0.1중량부 내지 0.3중량부가 첨가되고, 본 실시예의 굴패간은 골재 100중량부에 대하여 굴패각 15중량부 내지 25중량부가 첨가된다.
본 실시예의 결합재 100중량부에 대하여 60중량부 내지 110중량부의 잔골재가 첨가되며, 혼합수는 결합재 100중량부에 대하여 30중량부 내지 40중량부 혼합된다.
또한, 본 실시예의 폐섬유는, 길이 1~5mm의 폐섬유로 이루어지고, 폐섬유는 일회용 폐마스크에서 추출된 것으로 폴리프로필렌, 폴리에스터로 이루어지므로 출력물의 층간 부착성을 향상시킬 수 있게 된다.
본 실시예의 굴패각은 5mm 정도의 입경을 가지는 것을 특징으로 하며, 굴패각에 의해 출력물의 비표면적과 표면 거칠기를 증가시켜 해양 식물의 부착성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 실시예의 급결제는, 알루미네이트계 또는 알칼리플리계로 이루어지므로 급결제노즐(70)로부터 토출되는 시멘트 복합체가 균일한 층간 높이를 구형하고, 시멘트 복합체의 적층성을 향상시킬 수 있도록 급결제의 분사 압력은 1~2 bar, 급결제의 분사량은 20~30ml/min의 조건으로 적용된다.
본 실시예의 시멘트 복합체 조성물은, 인공어초로 사용되기 위해서는 흐름값이 140~160mm를 확보해야 하며, 흐름값이 값이 140mm보다 작을 경우에는 과소한 작업성 확보로 인하여 재료 압출방식 프린터에 의한 출력 시 지속적인 출력이 불가능하며 출력물이 끊기는 현상이 발생되고, 흐름값이 160mm을 초과하는 경우에는 과도한 유동성으로 인하여 일정 두께의 출력물이 나오지 않고 출력물의 자립성이 저하하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물을 이용하는 구조물 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물을 이용하는 구조물 제조방법은, 결합재, 증점제, 폴리머, 잔골재, 혼화제, 응결촉진제, 혼합수로 구성되는 재료 압출방식 3차원 프린터용 시멘트 복합체 조성물을 제조하는 단계와, 시멘트 복합체 조성물이 수납되어 가압력에 의해 시멘트 복합체 조성물을 특정한 모양으로 토출시키도록 압출실린더(20), 노즐(30), X축 구동부(60), Y축 구동부(50) 및 Z축 구동부(40)를 포함하는 압출방식 3차원 프린터에 세라믹 복합체 조성물을 재료를 제공하는 단계와, X축 구동부(60), Y축 구동부(50) 및 Z축 구동부(40)의 작동에 의해 노즐(30)이 이동되면서 압출실린더(20)의 작동에 의해 시멘트 복합체 조성물이 노즐(30)을 통해 토출되는 단계와, 시멘트 복합체 조성물의 적층 균질성 확보를 위해 급결제 노즐(70)로부터 급결제가 분사되는 단계와, 노즐(30)로부터 토출되는 시멘트 복합체 조성물이 적층되도록 시멘트 복합체 조성물이 노즐(30)을 통해 토출되는 단계가 반복되면서 인공어초를 성형하는 단계를 포함한다.
본 실시예의 제조방법에 사용되는 재료 압출방식(MEM) 3차원 프린터는, 시멘트 복합체가 최종 출력되는 직경 4.0mm~8.0mm 노즐(30)을 사용하고, 프린터의 X축, Y축, Z축으로 움직이는 프린팅 속도는 10~35mm/sec로 인공어초를 출력한다.
상기한 프린팅 속도보다 느린 경우에는 일정 압출 스텝모터(10)의 속도로 작용하는 압출조건과 노즐조건 하에서 과소한 시멘트 복합체의 출력으로 인하여 설계대비 작은 인공어초 출력과 출력 레이어간 부착력 감소로 인하여 강도 저하 등의 문제점이 발생될 수 있고, 속도가 빠른 경우에는 과도한 출력량으로 인하여 설계대비 큰 부재의 출력과 인공어초의 일정한 형상 구현이 곤란하게 된다.
그리고 압출 실린더에 채워진 시멘트 복합체에 작용하는 압출 스텝모터(10)는 160~210 e-step의 회전력으로 구동되어 세라믹 복합체를 노즐(30)로 압출시키도록 구동된다.
상기한 바와 같은 제조방법에 의해 제조되는 인공어초용 시멘트 복합체 조성물과 압출방식 프린팅 조건으로 출력된 구조물은, 압축강도 31.5MPa 이상, 부착강도 2.0MPa 이상, 치수안정성은 설계 모델링 대비 부위별 치수오차가 ±2.0% 이내로 이루어지게 된다.
표 1에 도시된 바와 같이 응결촉진제 및 폴리머의 함유량을 상대적으로 적게 포함시키는 경우에는 부착강도 및 압축강도가 현저하게 저하되는 것을 확인할 수 있고, 시멘트 복합체의 적층성을 확보할 수 없음을 알 수 있다.
이로써, 시멘트 복합체의 유동성을 설정치 이상으로 유지하여 압출적층방식(MEM, Material Extrusion Method)의 3D프린터를 이용하여 이루어지는 구조물 제작을 용이하게 진행할 수 있고, 제작이 완료된 후에 구조물의 압축강도가 설정치 이상 유지되어 인공어초 등의 해상 구조물로 사용할 수 있으며, 폐기되는 세라믹계 순환자원을 회수하여 시멘트 복합체 조성물을 이루므로 환경오염을 방지할 수 있는 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 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, 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 제조방법을 예로 들어 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 제조방법이 아닌 다른 제품에도 본 발명의 복합체 조성물 및 이를 이용하는 구조물 제조방법이 사용될 수 있다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 스텝모터 20 : 압출실린더
30 : 노즐 40 : Z축 구동부
50 : Y축 구동부 60 : X축 구동부
70 : 급결제 노즐
30 : 노즐 40 : Z축 구동부
50 : Y축 구동부 60 : X축 구동부
70 : 급결제 노즐
Claims (6)
- 시멘트 100중량부에 대하여 10중량부 내지 25 중량부 첨가되는 플라이애시, 시멘트 100중량부에 대하여 15중량부 내지 25중량부 첨가되는 소성점토, 시멘트 100중량부에 대하여 0.05 중량부 내지 0.15중량부 첨가되는 폐석고 분말을 포함하여 이루어지는 결합재; 시멘트 복합체 조성물의 점성 부여를 통한 출력성을 개선토록 메틸셀룰로오스계를 사용하고 상기 결합재 100중량부에 대하여 0.15중량부 내지 0.40중량부 첨가되는 증점제; 및 출력물의 균열저항성 확보 및 내화성능 개선을 위하여 EVCL(Ethylene Vinyl chloride) 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)로 이루어지고, 상기 결합재 100중량부에 대하여 2.5중량부 내지 7.5중량부 첨가되는 폴리머;를 포함하고,
골재;
출력물의 비표면적 향상 및 해양수생식물의 부착성 향상을 위해 입경 5mm 이하의 입도로 이루어지고, 상기 골재 100 중량부에 대하여 15중량부 내지 25중량부가 첨가되는 굴패각; 및
출력물의 층간 부착성능 향상을 위해 폴리프로필렌 또는 폴리에스터로 이루어고, 상기 골재 100중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 0.3 중량부가 첨가되는 폐섬유를 포함하여 이루어지는 잔골재;를 더 포함하고,
상기 폐섬유는 길이 1~5mm의 폐섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물. - 제1항에 있어서,
나프탈렌계 또는 폴리카본산계로 이루어지고, 상기 결합재 100중량부에 대하여 0.3중량부 내지 1.2중량부 첨가되는 혼화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물.
- 제1항에 있어서,
탄산설폰알루미네이트로 이루어지고, 상기 결합재 100중량부에 대하여 5중량부 내지 25중량부로 첨가되는 응결촉진제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물.
- 삭제
- (a) 결합재, 증점제, 폴리머, 잔골재, 혼화제, 응결촉진제 및 혼합수를 포함하는 재료 압출방식 3차원 프린터용 시멘트 복합체 조성물을 제조하는 단계;
(b) 상기 시멘트 복합체 조성물이 수납되어 가압력에 의해 상기 시멘트 복합체 조성물을 특정한 모양으로 토출시키도록 압출실린더, 노즐, X축 구동부, Y축 구동부 및 Z축 구동부를 포함하는 압출방식 3차원 프린터에 상기 시멘트 복합체 조성물을 재료를 공급하는 단계;
(c) 상기 X축 구동부, 상기 Y축 구동부 및 상기 Z축 구동부의 작동에 의해 상기 노즐이 이동되면서 상기 압출실린더의 작동에 의해 상기 시멘트 복합체 조성물을 상기 노즐을 통해 토출시키는 단계; 및
(d) 상기 노즐로부터 토출되는 상기 시멘트 복합체 조성물이 적층되도록 상기 (c)단계를 반복하여 구조물을 성형하는 단계;를 포함하고,
상기 시멘트 복합체 조성물은, 시멘트, 플라이애시, 소성점토, 폐석고 분말을 포함하여 이루어지는 결합재; 메틸셀룰로오스계를 사용하는 증점제; 및 EVCL(Ethylene Vinyl chloride) 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)로 이루어지는 폴리머를 포함하고,
상기 시멘트 복합체 조성물은, 골재;
출력물의 비표면적 향상 및 해양수생식물의 부착성 향상을 위해 입경 5mm 이하의 입도로 이루어지고, 상기 골재 100 중량부에 대하여 15중량부 내지 25중량부가 첨가되는 굴패각; 및
출력물의 층간 부착성능 향상을 위해 폴리프로필렌 또는 폴리에스터로 이루어고, 상기 골재 100중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 0.3 중량부가 첨가되는 폐섬유를 포함하여 이루어지는 잔골재;를 더 포함하고,
상기 폐섬유는 길이 1~5mm의 폐섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물을 이용하는 구조물 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 (C)단계는, 상기 노즐과 인접하게 배치되는 급결제 노즐로부터 급결제가 분사되고,
상기 급결제는 알루미네이트계 또는 알칼리프리계로 이루어지고, 상기 급결제의 분사 압력은 1~2 bar, 상기 급결제의 분사량은 20~30ml/min의 조건으로 적용되는 것을 특징으로 하는 세라믹계 순환자원을 이용하는 3D프린터용 시멘트 복합체 조성물을 이용하는 구조물 제조방법.
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| KR (1) | KR102638869B1 (ko) |
Citations (6)
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-
2022
- 2022-11-29 KR KR1020220163301A patent/KR102638869B1/ko active IP Right Grant
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