KR20050001380A - 프리폼 제작에 사용하기 위한 결합제를 포함하는 시멘트시스템 - Google Patents

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KR20050001380A
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오리아키크리스토퍼
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘 피
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Abstract

본 발명의 프리폼 제작에 사용하기 위한 시멘트 시스템은 포스페이트 이온을 포함하는 무기산 및/또는 유기산, 다중산 및 주 수성 용매을 포함하는 결합제 조성물을 포함한다.

Description

프리폼 제작에 사용하기 위한 결합제를 포함하는 시멘트 시스템{A CEMENT SYSTEM INCLUDING A BINDER FOR USE IN FREEFORM FABRICATION}
프리폼 제작은 마무리된 제품, 원형(prototype) 부품 또는 모델 및 작업 공구를 포함하는 3차원 물체의 제조를 위한 대중적인 제조 방법으로 빠르게 되고 있다. 예컨대, 프리폼 제작은 세라믹 구조물 및 세라믹 쉘(shell) 몰드와 같은 제품을 제조하는데 사용된다. 프리폼 제작의 몇 가지 방법은 목적하는 최종 제품의 층들을 순차적으로 형성하는 공정을 포함한다.
프리폼 제작이 순차적으로 층을 형성하는 공정을 포함하는 경우, 많은 평면층이 서로 조합되어 평면 또는 비평면의 3차원 물체를 형성한다. 그 제품은 층층이(layer-by-layer) 형성되며, 각 층의 단편(segment)은 최종 목적 제품의 단면을 나타낸다. 인접하게 형성된 층들은 서로 소정 패턴으로 접착되어 목적하는 제품을 구성한다.
일부 방법에서, 목적하는 제품의 층이 분말형 빌드 물질(build material)의 층을 도말한 후 선택적으로 분말 내에 결합제를 주입함에 의해 형성된다. 도포되는 경우, 결합제는 목적 제품의 단면 내에 분말을 결합시킨다. 다른 방법에서, 빌드 물질은 선택적으로 분사되어 목적하는 제품의 순차적인 각 층을 형성한다.
그러나, 통상적인 프리폼 제작 방법에서는, 생성된 제품의 취성(fragility)을 포함하는 몇 가지 단점이 있다. 최종 제품의 열악한 기계적 특성은 낮은 압축 모듈러스의 결과이다. 또한 열악한 기계적 특성은 신장시의 취성 또는 낮은 파열 강도에 의해 증명된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 포스페이트 이온을 포함하는 무기산 및/또는 유기산, 다중산 및 주 수성 용매를 포함하는 결합제 조성물을 포함하는, 프리폼 제작에 사용하기 위한 시멘트를 제공한다.
또한, 본 발명은 중합체 및 하나 이상의 무기 포스페이트를 포함하는 분말의 개별적 층을, 적어도 상기 무기 포스페이트 시약 및 반응 생성물과 반응하는 다중산을 포함하는 주 수성 결합제 조성물로 반복적으로 침윤시키는 단계를 포함하는, 3차원 물체의 형성 방법을 제공한다. 상기 결합제는 추가적으로 포스페이트 이온을 포함하는 무기산 및/또는 유기산을 포함한다. 침윤된 분말 층은 서로 인접하게 형성되어 상기 3차원적 프린트 제품을 형성한다.
또한, 본 발명은 액체 분사(ejection) 헤드, 및 포스페이트 이온을 포함하는 무기산 및/또는 유기산, 다중산 및 주 수성 용매를 포함하는 액체 결합제 조성물을 포함하는 프리폼 제작 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시양태가 이용될 수 있는 전형적인 프리폼 제작 시스템을 설명하는 것이다. 도면은 단지 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
일부 프리폼 제작 시스템에서, 분말 물질은 목적하는 제품의 개별적인 각 층을 형성하기 위해 사용된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 프리폼 제작 단위(100)는 분말화된 빌드 물질의 공급을 포함한다. 측정된 양의 분말은 공급 챔버로부터 분배된다. 이동 스테이지(103) 상의 롤러는 제작 챔버(102)의 상부에서 분말을 분배하고 압축한다. 그 후, 잉크젯 프린팅 기술 또는 드롭-온-디맨드(drop-on-demand) 기술에 기반할 수 있는 다중 채널 액체 분사 헤드는 제작 챔버(102) 내의 분말상에 접착제 또는 결합제를 침착시켜 2차원적 패턴으로 만든다. 분사 헤드는 이동 스테이지(103)상에 배치될 수 있다. 이런 2차원적 패턴은 목적하는 제품의 단면이다. 또한 이런 분사 헤드는 착색제 또는 토너를 분사하여 요구되는 색 또는 색 패턴을 목적하는 제품의 특정 단면에 제공할 수 있다.
그 분말은 접착제가 침착되는 영역에서 결합되어, 목적하는 제품의 층을 형성할 수 있다. 그 공정은 반복되어 이전 층의 상부 위에 새로운 분말 층이 도포된다. 그 후, 목적하는 제품의 다음 단면은 새로운 분말층으로 형성된다. 또한, 접착제는 목적하는 제품의 인접층들을 서로 결합하는 역할을 한다.
이 공정은 전체 물체가 제작 챔버(102)의 분말 베드 내에 형성될 때까지 계속된다. 그 후, 접착제에 의해 결합되지 않은 여분의 분말은 솔질로 제거되어, 베이스 또는 "그린(green)" 제품을 남긴다. 사용자 인터페이스(104)는 사용자가 제작 공정을 개시 및 제어할 수 있게 한다.
이런 공정은 신속한 제작 및 낮은 물질 비용의 장점을 제공한다. 이는 가장 신속한 프리폼 제작 방법 중 하나로 여겨지고, 다양한 색으로 된 제품을 생산할 수 있다.
그러나, 상기 주지된 바와 같이, 통상의 분말계 프리폼 제작 공정에는 생성된 제품의 취성을 비롯한 몇 가지 단점이 있다. 약한 압축 모듈러스 및 낮은 응력에서의 열악한 신장도는 낮은 입자 밀도, 분말 입자들 사이의 접착 불량 및 최종 생성물에서의 공극의 존재 때문일 수 있다. 층의 내부 및 층간 수준 모두에서, 분말 입자는 오직 서로 느슨하게만 접착되어 있다. 시중에서 현재 사용되는 분말은 전분, 폴리(비닐 알콜) 등과 같은 수팽창성 중합체 및 이런 수팽창성 중합체의 혼합물과 함께 석고 및/또는 패리스(Paris)의 플라스터 등과 같은 충전제 무기 입자에 기초한다.
이런 유형의 시스템이 사용되는 경우, 분말 표면은 수성 결합제로 프린트되고, 중합체 입자는 수성 결합제의 흡수 때문에 팽창한다. 중합체 입자가 팽창한 결과 접착이 생긴다. 이런 분말과 수성 결합제의 상호작용은 열악한 기계적 강도뿐만 아니라 그린 물체의 높은 공극도를 초래한다.
또한, 분말계 프리폼 제작뿐만 아니라 분사된 중합체, 직접 구성형 프리폼 제작에 의해 제조된 부품은 열악한 강도를 갖는다. 분사된 중합체, 직접 구성형 프리폼 제작에 의해 제조된 부품이 열악한 강도를 갖는 것은, 높은 분자량의 중합체가 너무 높은 점도를 갖기 때문에 오직 저분자량의 중합체만이 분사될 수 있다는 사실에 기인한다.
또한, 상기 방법의 결합 중합체에 대한 팽창 공정은 매우 느리게 일어나는 경향이 있다. 물과 패리스의 플라스터 사이의 상호작용은 매우 느리게 일어난다. 이런 이유로, 통상적인 공정은, 반응된 물질이 고정되고 제작된 제품이 분말 베드로부터 제거되는데 한 시간보다 많은 시간을 필요로 한다.
통상적인 분말계 프리폼 제작과 직접 관련된 다른 문제는 최종 제품의 높은 밀도이다. 분말 중의 출발 물질은 통상적인 공정에 의해 생산된 최종 제품이 전형적으로 갖는 1 g/㎤보다 큰 고밀도를 갖는다. 제품의 고밀도는, 특히 1:1 스케일 모델의 큰 물체가 생성되는 경우에 심각한 문제이다.
또한, 생성된 제품의 열악한 기계적 특성은, 분말 베드에서 층을 생성하여 제작된 그린 물체는 노동 집약적 후-가공 처리를 해야 한다는 사실과 관련된다. 종종 이런 후-가공은 프린트된 물체의 표면을 시아노아크릴레이트 글루(glue) 등과 같은 강화제로 적시는 것을 포함한다. 현재 이용가능한 석교계 분말 및 수팽창성 중합체는 30분 이상이 될 수 있는 긴 팽창 시간을 필요로 한다. 이런 공정 및 유사한 공정의 다른 단점은 생성된 제품이 제품의 낟알 모양의 질감으로 표현되는 열악한 해상도를 가질 수 있다는 것이다.
상기 언급된 바와 같이, 현재 이용가능한 프리폼 제작을 위한 공정은 느슨하게 결합된 중합체 및 무기 입자를 사용하여 열악한 기계적 특성 및 낟알 모양의 질감을 갖는 제품을 생성한다. 생성된 제품의 후-가공 건조가 기계적 특성을 약간 개선한다 하더라도, 그 개선은 최소이고 건조 공정은 매우 느리다. 다른 후-가공 수단은 시아노아크릴레이트와 같은 중합성 아교를 이용한 강화 또는 표면 마무리질을 포함하지만, 이런 수단들은 고가이고 노동 집약적이다. 최종적으로 기계적 특성 및 표면 마무리는 균일하게 혼합되고 충분히 반응되는 이들의 능력과 함께 물질 시스템의 특성에 좌우된다.
본 명세서는 프리폼 제작 공정에 사용될 수 있는 결합제 및 시멘트를 기술했다. 보다 구체적으로, 본 명세서는 이전의 시스템보다 덜 깨지고 적은 제작 후 가공이 요구되는 3차원 물체의 프리폼 제작을 위한, 칼슘 포스페이트계 시멘트와 조합된 결합제를 기술한다.
본원 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같이, "결합제"라는 용어는 토너, 잉크, 염료, 안료, 물감 또는 착색제를 갖거나 또는 갖지 않는 액체 물질을 의미하고, 이는 칼슘 포스페이트 시멘트와 같은 분말화된 빌드 물질 내로 분사되어, 분말화된 빌드 물질을 프리폼 제작 공정을 통해 생성된 물체의 층으로 선택적으로 결합 및/또는 착색시킨다. 따라서, "결합제"는 잉크, 토너, 염료, 안료, 착색제, 결합제, 접착제 또는 이들의 조합을 의미하지만 이들에 한정되는 것은 아니다.
통상적으로 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물은 프리폼 제작과는 별개의 여러가지 기술에서 유용하다. 예컨대, 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물이 치아 및 뼈의주된 성분과 유사한 화합물로 전환될 수 있기 때문에, 수중경화성(hydraulic) 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물은 치아 및 뼈에 대한 복구 물질로서 사용된다. 또한, 시멘트 조성물은 살아있는 신체에 유해한 살아있는 조직 중합체, 유기 물질 또는 무기 이온에 대한 흡수제로서 사용될 수 있다.
그러나, 통상적인 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물은 프리폼 제작 시스템에서 유용하지 않다. 전형적으로, 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물은 매우 밀하고, 살아있는 신체의 산성 환경에서 사용하기에 적합하도록 이들의 pH 값이 거의 중성이고, 살아있는 신체의 뼈, 치아 및 조직이 존재하는 높은 충격을 받는 환경에서 충분히 견딜 수 있다.
본 명세서는 프리폼 제작 시스템에서의 사용에 적합화된 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물을 기술한다. 신규한 시멘트 조성물은 반응 및 고정되기 전에 두 부분으로, 즉 분말 성분 및 액체 결합제 성분으로 분리될 수 있다. 결합제는 비제한적인 예로서 드롭-온-디맨드 시스템과 같은 잉크젯 시스템과의 상용성을 갖고, 예컨대 드롭-온-디맨드 기술에서의 잉크젯 프린트 헤드를 일체화시킨 프리폼 제작 시스템에서 사용될 수 있다. 그 조성물은 프리폼 제작 시스템의 최종 제품에서 알려진, 매짐성(brittleness), 취성(fragility), 고밀도, 및 고비용과 시간 소모적 생산 후 가공의 필요성과 같은 문제점을 포함하는 단점을 개선한다.
본원에 기재된 방법에 따른 프리폼 제작에서 사용하기 위한, 결합제 및 분말을 포함하는 칼슘 포스페이트 시멘트 시스템은 반응해서하이드록시아파타이트[(Ca5(PO4)3OH 또는 Ca10(PO4)6(OH)2]를 형성하는 칼슘 포스페이트 화합물을 시약으로서 포함하는 화학 반응에 기초한다. 이런 반응의 예는 반응(1) 내지 (4)에서 도시된다.
프리폼 제작을 위한 칼슘 포스페이트계 시약을 포함하는 분말 조성물은 상기 시약 또는 다른 모노-, 다이-, 트라이-, 테트라-, 펜타- 및 옥타-칼슘 포스페이트의 혼합물을 하이드록시아파타이트의 생성을 위한 시약으로서 포함할 수 있다. 그러므로, 상기 반응은 반응이 일어나서 기술된 프리폼 제작 기술을 통해 칼슘 포스페이트 시멘트계 제품을 제조할 수 있는 수많은 반응의 예에 지나지 않는다.
상기 언급된 바와 같이, 분말 조성물은 목적하는 3차원적 제품의 개별적인 각 층을 형성하기 위해 사용된다. 먼저, 도 1에 도시된 바와 같은 프리폼 제작 장치의 공급 챔버로부터 측정된 양의 분말을 분배한다. 그 후, 롤러 또는 다른 분배 및 압축 장치는 제작 챔버의 상부에서 분말을 분배하고 압축하여 매우 얇고, 균일한 분말성 필름을 형성한다. 그 후, 액체 분사 헤드가 제작 챔버에서 결합제 조성물을 분말성 필름 상에 2차원 패턴으로 침착시킨다. 이런 2차원 패턴은 최종적인3차원 제품의 단면이다.
분말은 상기 논의된 무기 포스페이트 시약 외에, 지방족 중합체과 같은 중합체 및 유기 산 화합물을 포함한다. 바람직하게는, 지방족 중합체는 비닐 중합체이다. 또한 분말은 수성 결합제 조성물과 접촉시에 팽창하는 하나 이상의 나노충전제를 포함할 수 있다. 나노충전제는 유기, 무기화합물 또는 유기 및 무기 화합물의 혼성체일 수 있다. 예로서, 점토 미네랄 및/또는 적층된 이중 하이드록사이드 및/또는 하이드로탈사이트를 포함하는 합성 또는 천연 조성물은 물 또는 본원에 기술된 결합제 조성물과 같은 수성 조성물의 존재 하에서 팽창될 것이다. 예로서, 나노충전제는 점토 미네랄, 적층된 이중 하이드록사이드, 하이드로탈사이트, 알루미나, 실리카 및 예비형성된 중합체-적층된 무기 나노복합물일 수 있다.
나노충전제 조성물이 팽창하기 때문에, 공간은 무기 포스페이트, 이들의 반응 생성물 및 이들과 혼합된 중합체와 같은 반응성 시멘트 분말 물질들 사이에 제공된다. 이런 공간들은 분말 조성물 및 결합제 조성물로부터의 중합체의 침투 네트워크가 전체적으로 만들어지고, 그리고 프리폼 제작 단위에 의해 만들어진 최종 3차원적 칼슘 포스페이트 시멘트 제품의 층들 사이에 만들어지도록 한다. 무기 포스페이트 시약, 하이드록시아파타이트를 포함하는 반응 생성물, 및 본원의 분말 조성물 및 결합제 조성물로부터의 다양한 중합체 및 산 사이의 반응에 의해 침투 네트워크가 형성된다.
또한, 분말은 반응 촉진제를 포함할 수 있다. 반응 촉진제의 예는 마그네슘 플루오라이드 또는 리튬 포스페이트와 같은 작은 금속 염을 포함한다. 중합체, 유기산 및 나노충전제를 포함하는 상기 논의된 첨가물은 본질적으로 칼슘 포스페이트 시멘트 제품에 기계적 강도 및 표면 질감과 관련된 개선된 물리적 특성을 제공한다.
칼슘 포스페이트 시멘트 제품을 형성하는 반응은 임의의 특정 고정 메커니즘에 한정되지 않고, 분말 및 결합제 조성물에 사용된 중합체 및 산에 따라 변한다. 예컨대, 산-염기 및/또는 가수분해 반응은 전형적으로 고정 메커니즘의 일부이다. 하기에 더 논의가 되는 바와 같이, 결합제 조성물은 수성이다. 또한, 수용성 중압체 첨가제가 벌크제(bulking agent)로서 분말 또는 결합제 조성물에 첨가 될 때, 고정 메커니즘은 추가로 겔화 공정을 포함한다. 상기 언급된 바와 같이, 착체화 및 가교 결합이 결합제 조성물의 다중산, 또는 파이트산 또는 시트르산과 같은 다른 유기산, 및 분말 조성물로부터의 무기 포스페이트 시약과 그들의 반응 생성물 사이에서 일어난다. 바람직한 실시양태에서, 다중산은 (메트)아크릴 단량체의 적어도 일부로 이루어진다. 또한, 침전 반응은 프리폼 제작 공정에 사용되는 분말 및 결합제 조성물의 시약 사이에서 일어날 수 있어서, 침투 네트워크를 포함하는 칼슘 포스페이트 시멘트를 형성한다.
본원에 기술된 결합제 조성물은 결합제 조성물 그 자체 내의 다양한 성분에 대한 비히클 역할을 하고, 이는 구체적으로 열 잉크젯 프린트헤드와 같은 잉크젯 또는 드롭-온-디맨드 액체 분사 시스템과 함께 이용되도록 맞추어진다. 상기 언급된 바와 같이, 결합제 조성물은 그의 성분들에 의한 고정 메커니즘에 기여한다. 또한, 결합제 조성물을 사용하여 생성된 제품은 통상적으로 알려진 치과용 및 의학용으로 사용되는 것들과 같은 칼슘 포스페이트 시멘트에 의해 생성된 제품보다 강하다.
본원에 기술된 결합제 조성물은 산성이고, 가장 바람직하게는 약 2.5 내지 5.5의 pH 범위이다. 하나 이상의 산이 사용될 수 있고, 이들의 예는 인산, 산 염, 예컨대 암모늄 다이하이드로젠 포스페이트 및 암모늄 하이드로젠 포스페이트, 파이트산, 시트르산, 말론산, 말레산, 이타콘산, 비닐 인산, 타르타르산 및 피루브산을 포함한다. 또한, 다중산은 결합제 조성물의 성분으로서 사용된다. 다중산은 아크릴 단량체 단위에 적어도 일부 기초하는 중합체가 바람직하고, 폴리(아크릴산), 폴리(비닐 인산), 폴리(메타)아크릴산 및 폴리(메타)아크릴산 공중합체 및 다른 비닐 공중합체, 뿐만 아니라 합성 중합체, 예컨대 폴리라트산 및 폴리글리콜산에서 선택되는 하나 이상의 중합체가 가장 바람직하다.
바람직하게 결합제 조성물은 항-크러스팅 성분, 예컨대 2-피롤리돈, 1,5-펜탄디올, 및 하나 이상의 계면활성제 및/또는 습윤제를 포함한다. 결합제 조성물에 가용성인 다양한 염료 및/또는 결합제 조성물에 현탁되는 안료가 또한 결합제 조성물에 존재한다.
결합제 조성물은, 다른 알콜도 또한 용매로서 포함하지만, 주로 물이다. 바람직한 본 발명의 실시양태에서, 결합제 조성물은 약 70% 내지 약 90%가 물이다. 또한, 바람직한 실시양태에서, 알콜이 결합제 조성물에 포함될 때, 이는 약 0.5 중량% 내재 약 13.0 중량%로 존재한다.
본 발명의 예시적인 결합제 조성물은 제조되어 칼슘 포스페이트 시멘트와 매우 잘 작용하는 것으로 밝혀졌다. 그 성분들은 그의 다양한 중량%에 따라 다음의 표 1에 열거되어 있다.
칼슘 포스페이트/중합체 나노복합물 시멘트로부터 본원에 기술된 결합제를 이용하여 제작된 고체 압축 바를 제조하고 시험했다. 그 시멘트로부터 제작된 압축 바는 빠른 고정 역학 및 우수한 기계적 특성 뿐만 아니라 표면 마무리의 특성을 보였다.
상기 설명은 발명의 실시양태를 단지 예시하고 기술하기 위해서 제공되어 왔다. 본 발명이 개시된 임의의 정밀한 형태만이거나 이에 한정되는 것으로 의도되지 않는다. 상기 개시 내용에 비추어 볼 때 많은 변화 및 변경이 가능하다. 본 발명의 범위는 하기 청구범위에 의해 정의되는 것으로 의도된다.
본 발명에 따르면, 통상적인 프리폼 제작 방법에서 문제되는 생성된 물체의 취성, 낮은 강도 등과 같은 열악한 기계적 특성상의 단점이 개선된다.

Claims (10)

  1. 포스페이트 이온을 포함하는 무기산 및/또는 유기산;
    다중산(polyacid); 및
    주 수성 용매를 포함하는
    결합제 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성물의 약 70 중량% 내지 약 90 중량%가 물인 결합제 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 산이 파이트산을 포함하는 결합제 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성물이 약 2.5 내지 약 5.5의 pH 범위를 갖는 결합제 조성물.
  5. 중합체 및 하나 이상의 무기 포스페이트를 포함하는 분말의 개별적 층들을, 적어도 상기 무기 포스페이트와 반응하는 다중산 및 추가적으로 포스페이트 이온을 포함하는 무기산 및/또는 유기산을 포함하는 주 수성 결합제 조성물로 반복적으로 침윤시키는 것을 포함하고, 상기 침윤된 분말 층은 서로 인접하게 형성되어 3차원 물체를형성하게 되는 3차원 물체의 프리폼 제작 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 무기 포스페이트가 모노칼슘 포스페이트, 다이칼슘 포스페이트, 트라이칼슘 포스페이트 및 테트라칼슘 포스페이트로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 분말이 상기 수성 결합제 조성물로부터의 물과 접촉시에 팽창되는, 점토 미네랄, 적층된 이중 수산화물, 하이드로탈사이트, 알루미나, 실리카 및 예비형성된 중합체-적층된 무기 나노복합물로 구성된 군에서 선택되는 나노충전제를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 조성물의 약 70 중량% 내지 약 90 중량%가 물인 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 결합제 조성물 중의 유기 산이 파이트산을 포함하는 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 결합제 조성물이 약 2.5 내지 약 5.5의 pH 범위를 갖는 방법.
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