KR20080083873A - 나일론 6을 이용한 레이저 소결용 분말, 이의 제조방법 및이를 이용한 성형체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 소결용 분말의 제조와 그 분말을 이용해 소결된 성형품에 관한 것이다. 기존의 레이저 소결용 고분자 분말은 나일론 11 또는 나일론 12이었는데, 본 발명은 나일론 6을 이용하여 레이저 소결용 분말을 건식 냉동 분쇄 및 형상제어(구형화)를 통하여 제조하였으며, 제조된 나일론 6 분말을 기존에 많이 사용되던 고분자 분말인 나일론 11 또는 나일론12와 혼합하여 소결시킴으로써 우수한 성형성과 기계적 물성을 갖는 레이저 소결용 분말을 제조하였다.

나일론 6, 레이저 소결용 분말, SLS(Selective Laser Sintering), 완구율, 소결성, 성형성, 기계적 물성

Description

나일론 6을 이용한 레이저 소결용 분말, 이의 제조방법 및 이를 이용한 성형체{Laser sintering powders using nylon 6, Manufacturing method thereof and molded product obtained from the same powder}

도 1은 나일론 12를 단독으로 사용한 성형품(a)과 나일론 12와 나일론 6을 1:1로 혼합하여 소결시킨 성형품(b)의 형상을 나타낸 SEM사진이다.

도 2는 나일론 12를 단독으로 사용한 성형품(a)과 나일론 12와 나일론 6을 1:1로 혼합하여 소결시킨 성형품(b)의 인장강도를 비교한 그래프이다.

본 발명은 3차원 레이저 복제기의 재료로 사용되는 나일론 분말에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 나일론 6과 나일론 11 또는 나일론 12를 혼합하여 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 소결용 분말에 관한 것이다.

3차원 레이저 복제기는 기존의 2차원적인 평면 복사기와는 달리 실물을 3차원적으로 복제 할 수 있는 차세대 기계라고 할 수 있다. SLS(Selective Laser Sintering), 선택적 레이저 소결공정으로 불리며 이에 사용되는 장비는 SFFS(Solid Freeform Fabrication System), 임의 형상 제조 장치라고 불린다. SLS 방식을 사용하는 디지털 3차원 실물복제기의 구동 순서는 일단 레이저 소결용 고분자 분말을 피드룸에 넣어주고 일정시간 예열을 하여준다. 피드룸에서 예열된 분말을 롤러를 이용하여 일정한 두께로 펼치면서 레이저 소결이 일어나는 지점인 빌드룸으로 이동시킨다. 빌드룸으로 이동된 분말은 피드룸보다 높은 온도, 바람직하게는 분말의 용융점(m.p) 보다 약간 낮은 온도에서 열처리되고 레이저를 통하여 원하는 부분만을 소결시켜 원하는 형상을 만든다.

이 장비를 사용하여 제품을 제작하려면 레이저 소결용 고분자가 필요하다. 레이저를 이용하여 소결되는 재료의 종류는 다양하지만, 만들고자 하는 제품의 기능이나 실물복제기 장비의 특색에 따라 적당한 물질을 사용하여야 한다. 분말을 사용하여 성형품을 제조하는 공정은 미국특허 제 6,136,948호 및 국제특허공보 제 WO 96/06881호(DTM사 출원)에 상세하게 기재되어 있다. 레이저 소결용 고분자 분말의 경우, 독일 데구사에서 출원된 10-2003-0072060에서는 이산화티탄을 첨가하여 기존의 나일론 12만을 사용할 때 보다 뛰어난 탄성력을 가진 성형품을 얻었으며 10-2003-0055535에서는 유기 카복실산을 첨가하여 일정한 용액점도를 갖는 나일론 분말을 제조하기도 하였다. 프랑스 로디아 나일론 인터미디에이츠에서 출원한 10-2005-7024944에서는 단량체를 이용하여 불활성 액체에 분산하는 단계 및 단량체들의 중합 단계를 포함하여 분말을 제조하는 방법을 발명하기도 하였다.

현재까지 출원된 소결 재료로 다양한 고분자 소재들이 개발되었으며 폴리스 티렌, 폴리아크릴레이트, 나일론(폴리아미드), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아세테이트 등이 있으며 특히 나일론 11 혹은 12가 가장 많이 사용되고 있는데 이는 나일론 11 혹은 12가 기계적, 화학적 성질이 뛰어나며 내마모성이 좋고 강인하며 가볍고 내한성과 성형성이 우수하며 무독성을 가지는 등의 특성을 가지고 있기 때문이다.

그러나 상기의 나일론 11 혹은 12는 나일론 6에 비하여 상대적으로 비싸며 물성도 떨어지기 때문에 본 개발은 나일론 6을 이용하여 고분자 분말을 제조하는 것이다. 그러나 나일론 6의 경우 나일론 12에 비해 용융점이 40℃이상 높고 열에 의한 변형이 심하기 때문에 단독으로 레이저 소결용 분말로 사용하기에는 어려움이 있다. 게다가 흡습성이 높기 때문에 습기를 함유하고 있는 상태에서의 소결 시 레이저에 의해 습기가 기화되면서 소결 성형품의 뒤틀림 현상이 일어날 수 있다. 그러나 나일론 11 혹은 12와 나일론 6을 혼합하여 사용할 경우 이러한 단점을 보완할 수 있으므로 이 발명에서는 각 나일론들이 가지고 있는 단점은 보완하면서 장점만을 살릴 수 있는 방법을 모색하였다.

본 발명은 상기의 단점을 보완하기 위한 것으로, 나일론 11 혹은 12보다 상대적으로 저가이고 기계적 물성이 우수한 나일론 6을 첨가함으로써 현재까지 개발 시판중인 레이저 고분자 소결 분말의 재료가격을 낮추고, 이에 의해 제조된 레이저 소결용 고분자 분말의 성형성과 물성을 증가시키는 것을 목적으로 한다. 보다 구체 적으로 본 발명은 평균 입경이 20 ~ 100㎛, 바람직하게는 40 ~ 70㎛이고 완구율이 0.6 ~ 0.9인 레이저 소결용 분말인 나일론 6을 제조하고 이를 기존에 많이 사용 중인 나일론 12와 혼합 후 소결 성형하여 물성이 나일론 12를 단독으로 사용할 때 보다 뛰어난 고분자 소결 분말을 제조하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 우선 나일론 6을 건식 냉동 분쇄를 통하여 기존의 레이저 소결용 분말인 나일론 12와 비슷한 입경과 완구율을 갖는 분말로 제조하고, 제조된 분말을 기존의 소결용 분말인 나일론 12와 혼합하여 소결 성형함으로써 단지 나일론 12만으로 소결 성형할 때보다 더욱 소결체의 적층이 안정적으로 형성되고, 인장강도가 현저히 증가하는 놀라운 효과를 발견하여 본 발명을 완성하였다.

구체적으로 본 발명은 나일론 6이 나일론12에 비하여 용융점이 40℃가량 높고 분자구조상 친수기의 함량이 높기 때문에 중합이나 재결정에 의한 분말 제조에 어려움이 있다. 그러므로 건식 냉동 분쇄를 통하여 나일론 6을 분쇄하고 후처리과정을 거쳐 평균 입경이 20 ~ 100㎛, 바람직하게는 40 ~ 70㎛, 완구율이 0.6 ~ 0.9인 레이저 소결용 분말인 나일론 6을 제조하고 이를 기존에 많이 사용되던 나일론 12와 혼합하고 소결 성형하여 물성이 나일론 12보다 뛰어난 고분자 소결 분말이 제조되는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

일반적으로 레이저 소결 시 충전입자의 적층 높이는 50 ~ 200㎛ 정도에서 실 행하게 되므로 레이저 소결용 분말의 입도분포는 20 ~ 100㎛, 바람직하게는 40 ~ 70㎛가 적합하다. 입도분포의 경우 균일할수록 분말 입자간의 충진 밀도가 높아지고, 완구율이 높을수록 표면적이 작아져 예열 혹은 레이저 소결 시 균일한 열전달이 가능하게 되어 안정한 소결 성형품을 제조하는데 유리하다.

따라서 본 발명을 수행하는 과정에서 레이저 소결용 분말인 나일론 6을 건식 냉동 분쇄를 통하여 입도분포가 20 ~ 100㎛, 더욱 바람직하게는 40 ~ 70㎛를 갖게 하고 완구율을 높일 수 있도록 제조하는데 주안점을 두었으며, 기존의 나일론 12와 혼합 후 소결 성형 시에 나일론 12와 나일론 6의 특성차이에 의한 성형품의 뒤틀림현상이 일어나지 않도록 하여 본 발명에 이르렀다.

나일론 6을 이용한 분말 제조와 이의 첨가에 의한 소결 성형품의 물성 증대방법에 대하여 설명하면,

a) 펠렛 형태의 나일론 6을 건식 냉동 분쇄 방법을 이용하여 분말로 제조하는 단계;

b) 분말로 제조된 나일론 6을 열처리하여 완구율을 높이는 단계;

c) 열처리한 나일론 6 분말을 나일론 11 또는 나일론 12 분말과 혼합하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로는

a) 펠렛 형태의 나일론 6을 액체 질소를 사용하여 냉동하고 고속로터형분쇄기(일본 세이신,IMPELLER MILL IMP 400)을 통하여 분쇄하여 분말을 제조하는 단계;

b) 분말로 제조된 나일론 6을 열변형 온도와 용융점 사이인 65 ~ 220℃에서 열을 가한상태에서 교반시켜주어 완구율을 높이는 단계;

c) 완구율을 높인 분말을 혼합기를 통하여 균일하게 혼합하고 CO₂레이저를 통하여 소결 성형하는 단계;

를 포함하며, 보다 바람직하게는

a) 펠렛 형태의 나일론 6을 액체 질소를 사용하여 냉동하고 고속로터형분쇄기(일본 세이신,IMPELLER MILL IMP 400)을 통하여 분쇄할 때 체분리(sieve)를 통하여 입자의 크기가 큰 것은 다시 냉동하여 원하는 입도분포인 20 ~ 100㎛, 바람직하게는 40 ~ 70㎛가 될 때까지 계속 분쇄하는 단계;

b) 바람직한 입도분포를 갖는 분말을 열변형 온도와 용융점 사이인 65 ~ 220℃, 보다 바람직하게는 100 ~ 200℃에서 분말을 교반시켜주거나 또는 물에 넣고 교반시켜 완구율을 0.6 ~ 0.9로 높이는데 유리비드를 넣어주어 더 큰 완구율의 향상을 꾀할 수 있는 단계;

c) 완구율을 높인 분말을 혼합기를 통하여 균일하게 혼합하고, 피드룸에서 예열하고 빌드룸에서 분말의 용융점 보다 5 ~ 10℃ 낮은 온도에서 예열한 상태에서 CO₂레이저를 통하여 소결 성형하는 단계;

를 포함하고 제조된 분말의 물성은 UTM을 이용하여 측정한다.

이하는 본 발명의 제조방법에 사용되는 각 단계를 구체적으로 설명한다.

본 발명에서 레이저 소결용 분말로는 나일론 11 또는 나일론 12와 나일론 6 을 혼합하여 사용하였다. 보다 바람직하게는 나일론 12를 사용하는 것이 좋으며, 나일론 12는 0.7이상의 완구율과 40 ~ 70㎛의 입도분포의 조건을 갖는다면 어떠한 제조방법에 의해 제조된 것도 사용이 가능하며, 중합이나 재결정에 의해 제조된 것이 사용된다. 예를 들면, 미국 3D Systems사에서 개발 공급중인 분말인 DuraForm® PA 등이 사용 가능하다.

나일론 6은 펠렛(BASF의 Ultramid b3s 등)상태의 나일론 6을 이용하여 본 발명에 따른 건식 냉동 분쇄 방법을 이용하여 완구율이 높은 분말로 제조하여 사용한다. 모든 고분자가 그러하듯이 나일론 6의 경우에도 열에 의해서 유연해지기 때문에 단순 분쇄를 통해서는 원하는 입도분포를 얻을 수 없다. 왜냐하면 일반적인 분쇄 시 분쇄기와 입자, 입자와 입자간의 마찰력에 의하여 과량의 열이 발생하게 되고 이로 인하여 나일론 6이 유연해져서 분쇄가 되지 않아 원하는 입도분포를 얻을 수 없는 단점을 가지고 있기 때문이다.

따라서 본 발명에서는 액체 질소를 사용하여 펠렛 상태의 나일론 6을 내부까지 냉동을 시키고 분쇄기, 더 정확하게는 고속로터형분쇄기(일본 세이신,IMPELLER MILL IMP 400)을 사용하여 분쇄를 하였다. 여기에서 고속로터형분쇄기를 사용하는 이유는 고속회전하는 로터와 파형 라이너의 상호작용에 의하여 지금까지 분쇄가 어려웠던 연질수지의 초미분쇄가 가능해 수 마이크로미터(㎛) 크기의 분말을 얻기에 용이하기 때문이다.

한 사이클의 분쇄에 의해 얻어진 분말은 10 ~ 400㎛의 입도분포, 평균입도는 100 ~ 200㎛, 엄밀히 말하면 150㎛이기 때문에 체분리(sieve)를 통해서 레이저 소 결용 분말 입자크기에 맞지 않는 100㎛이상, 바람직하게는 70㎛ 이상의 분말은 반복적인 분쇄를 통하여 원하는 입경인 20 ~ 100㎛, 보다 바람직하게는 40 ~ 70㎛가 될 때까지 분쇄를 실시하는 것이 좋다.

상기의 분쇄를 통하여 20 ~ 100㎛의 입경을 갖는 분말을 제조하는 경우 분말의 형상이 매우 불규칙하기 때문에 열처리를 통하여 완구율을 높여줄 필요가 있다. 분말은 완구율이 높을수록 평활도와 유동성이 좋아져서 예열 시 열을 골고루 받을 수 있을 뿐만 아니라 레이저 소결 성형 시 성형품의 표면이 매끄러워질 수 있다. 소결 성형품의 표면 형상이 좋아진다는 것은 완성된 성형품의 추가적인 세공이나 공정이 필요하지 않다는 것을 뜻하므로 공업적으로 제조단가를 낮추는 역할을 하는 것이다.

완구율을 높이기 위한 후처리는 분말을 열변형 온도와 용융점 사이인 65 ~ 220℃사이, 더 정확하게는 100 ~ 200℃에서 분말을 교반시켜주거나 또는 물에 넣고 교반시켜 표면장력에 의하여 완구율을 높여준다. 이때 유리비드 등을 넣고 같이 교반을 시켜주면 더 큰 완구율의 향상을 꾀할 수 있다. 열처리 온도의 경우 온도가 낮을 경우에는 향상되는 완구율의 값이 낮고 온도가 높을 경우에는 완구율의 값이 높아진다.

본 발명에서 사용된 나일론 6의 경우에 건식 냉동 분쇄를 통하여 얻어진 나일론 분말의 완구율은 0.5 ~ 0.6으로 형상이 고르지 못하기 때문에 바람직한 레이저 소결용 분말 재료를 얻기 위하여 열변형 온도와 용융점(m.p) 사이인 65 ~ 220℃사이, 더 정확하게는 100 ~ 200℃에서 분말을 교반시켜주어 완구율을 0.6 ~ 0.9로, 100℃ 물에 넣어주고 교반시켜줌으로써 0.76 ~ 0.84로 높일 수가 있었다.

본 발명에서 완구율은 앞서 설명한 바와 같이 용이한 소결을 위한 선결 조건으로서 완구율이 높은 분말을 사용하는 것이 소결 성형 시 바람직하다. 열처리를 통하여 얻어진 0.7이상의 완구율과 40 ~ 70㎛의 입도분포로 인하여 레이저 소결 성형을 위한 분말을 준비한다.

본 발명에서 나일론 6을 나일론 11 또는 나일론 12와 혼합한 분말을 레이저 소결용 분말 재료로 사용할 때 예열온도나 레이저 파워 등을 약간만 조절하여 소결 성형을 하여도 매우 안정적으로 성형이 이루어졌으며, 소결체의 기계적 강도가 매우 향상되었다. 나일론 6은 나일론 11 또는 나일론 12와 거의 비슷한 조성의 물질이므로 성형 공정 변수가 적고 고분자 필러로써 작용하기 때문에 성형제품의 기계적 특성을 현저히 높일 수 있는 제품을 개발 할 수 있었으며, 소결체의 형성도 매우 우수한 소결체를 얻을 수 있었다.

본 발명에서 상기 나일론 6과 나일론 11 또는 나일론 12를 혼합할 때 나일론 6가 나일론 11 또는 나일론 12보다 많은 경우에는 소결이 이루어지기는 하였으나 적층이 잘 이루어지지 않거나 성형품의 뒤틀림 현상이 일어나게 되어 성형이 불안정 하므로, 나일론 6과 나일론 11 또는 나일론 12를 0.2 ~ 1 : 1 중량비, 보다 바람직하게는 0.2 ~ 0.4 : 1 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1:1의 비율로 혼합하여 사용하는 경우 온전한 소결성형이 이루어져 인장강도 등의 물성의 증가가 관찰되었다.

본 발명에서 소결성형은 레이저를 이용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하 게는 CO₂레이저를 이용한다. 상기 소결 성형은 소결용 장비의 피드룸에서 예열하고, 빌드룸에서 분말의 용융점 보다 5 ~ 10℃ 낮은 온도에서 예열한 상태에서 CO₂레이저를 통하여 소결 성형한다.

기계내부와 분말의 예열이 끝난 후에 레이저를 사용하여 원하는 모양으로 소결을 하게 되는데, 단층일 경우에는 상관이 없지만 여러 층을 쌍아서 입체를 만들고자 한다면 롤러를 이용하여 일정 적층두께로 소결된 분말위에 평평하게 분말을 깔아주고 반복적으로 소결을 실행하여야 한다. 반복적으로 소결된 입체 성형품은 바로 꺼내지 않고 30분 이상 그 상태로 보존하여 주는데 변형이 일어나는 것을 방지하기 위한 것이다.

이하는 본 발명의 구체적인 설명을 위하여 실시예를 들어 설명하는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

1) 나일론 6 분말의 제조

액체 질소를 사용하여 펠렛 상태의 나일론 6(한국BASF사의 Ultramid b3s)을 냉동을 시키고 고속로터형분쇄기(일본 세이신,IMPELLER MILL IMP 400)을 사용하여 1차 분쇄를 하였다. 체분리(sieve)를 통해서 입경이 70㎛ 이상의 분말은 반복적인 분쇄를 통하여 원하는 입경인 40~70㎛의 입경을 갖는 분말을 획득하였다.

건식 냉동 분쇄를 통하여 얻어진 상기 나일론 6 분말을 비커에 넣고 200℃의 열을 가하였다. 이때, 열에 의해 나일론 6은 물질의 상태가 유리상에서 고무상으로 바뀌게 되었다. 고무상으로 변한 나일론 6을 교반기를 이용하여 완구율을 높일 목적으로 4시간동안 교반시켰다.

열처리를 통해 얻어진 분말의 입도분포와 향상된 완구율을 하기 표 1에 나타내었다.

2) 나일론 6과 나일론 12 혼합분말을 이용한 성형체의 제조

실험을 통하여 얻어진 완구율이 향상된 나일론 6에 나일론 12(평균입경이 50㎛이고 완구율이 0.7~0.9인 3D System사의 DuraForm® PA)를 중량비 1:1로 혼합하여 소결하였다. 위와 같은 비율의 나일론 12와 나일론 6의 혼합 분말을 레이저 소결용 장비(한국기계연구원의 SFFS장비)의 피드룸에 넣어주고 질소기체를 넣어준 상태에서 기계내부온도가 소결온도인 178℃가 될 때까지 예열하였다. 롤러를 이용하여 100㎛ 두께로 적층한 뒤 CO2레이저를 이용하여 소결하였으며, 소결 후 30분간 유지하였다가 성형체를 꺼냈다.

이렇게 하여 얻어진 입체 성형품의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

[실시예 2]

실시예 1에 기술한 바와 동일한 제조공정을 거치며, 교반 시간을 8시간으로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다. 얻어진 분말의 입도분포와 향상된 완구율을 하기 표 1에 나타내었다.

또한 실시예1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

[실시예 3]

실시예 1에 기술한 바와 동일한 제조공정을 거치며, 교반 시간을 12시간 이상으로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다. 얻어진 분말의 입도분포와 향상된 완구율을 하기 표 1에 나타내었다.

또한 실시예1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었고 도 1 및 2에 나타내었다.

[실시예 4]

상기 실시예 1과 동일한 방법의 건식 냉동 분쇄를 통하여 얻어진 40~70㎛의 레이저 소결용 분말인 나일론 6(한국BASF사의 Ultramid b3s)를 표면장력을 이용할 목적으로 100℃ 물이 담긴 비커에 넣어주고 계속적으로 열을 가해주면서 교반기를 통하여 4시간 동안 교반시킨 후 오븐을 이용하여 수분을 제거해 줌으로써 완구율이 향상된 분말을 제조하였다. 얻어진 분말의 입도분포와 향상된 완구율을 하기 표 1에 나타내었다.

또한 실시예1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

[실시예 5]

실시예 4에 기술한 바와 동일한 제조공정을 거치며, 교반 시간을 8시간으로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 4과 동일하게 제조하였다. 얻어진 분말의 입도분포와 향상된 완구율을 하기 표 1에 나타내었다.

또한 실시예1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

[실시예 6]

실시예 4에 기술한 바와 동일한 제조공정을 거치며, 교반 시간을 12시간으로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 4과 동일하게 제조하였다. 얻어진 분말의 입도분포와 향상된 완구율을 하기 표 1에 나타내었다.

또한 실시예1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

[비교예 1]

1) 후처리를 하지 않은 나일론 6 분말을 제조

액체 질소를 사용하여 펠렛 상태의 나일론 6(한국BASF사의 Ultramid b3s)을 냉동을 시키고 고속로터형분쇄기(일본 세이신, IMPELLER MILL IMP 400)을 사용하여 1차 분쇄를 하였으며, 체 분리를 통하여 실시예 1과 동일한 입도 분포인 40 ~ 70㎛(평균입경 53㎛)의 분말을 제조하였으며, 완구율을 높이기 위한 열처리는 하지 않았다.

2) 나일론 6과 나일론 12 혼합분말을 이용한 성형체의 제조

상기 나일론 6 분말에 나일론 12(평균입경이 50㎛이고 완구율이 0.7~0.9인 3D System사의 DuraForm® PA)를 중량비 1:1로 혼합하여 소결하였다. 위와 같은 비율의 나일론 12와 나일론 6의 혼합 분말을 레이저 소결용 장비(한국기계연구원의 SFFS장비)의 피드룸에 넣어주고 질소기체를 넣어준 상태에서 기계내부온도가 소결온도인 178℃가 될 때까지 예열하고 롤러를 이용하여 100㎛ 두께로 적층한 뒤 CO2레이저를 이용하여 소결 성형 하였다.

그 결과 소결 성형할 때 롤러를 통하여 분말을 반복적으로 펼쳐주어야 하는데 롤러가 이동할 때 분말뿐 아니라 소결중인 성형품도 밀려서 움직이게 되어 입체성형이 불가능 하였다. 이는 같은 입도분포를 갖는 분말이라 하여도 완구율이 낮으면 70㎛를 넘는 분말들이 다수 존재할 수 있고 소결이 원활하게 이루어지지 않기 때문에 적층에 어려움이 있었던 것이라 사료된다. 얻어진 물성은 하기 표 1에 나타내었다.

[비교예 2]

1) 열처리 온도를 열 변형 온도보다 낮게 하여 나일론 6 분말 제조

상기 비교예 1과 동일한 방법으로 얻어진 나일론 6 분말을 열변형 온도보다 낮은 온도인 60℃에서 열을 가해주고 12시간 이상 교반시켜 주었다. 얻어진 분말의 완구율은 열처리하지 분말과 비교하여 상승효과는 거의 변화가 없었다.

2) 나일론 6과 나일론 12 혼합분말을 이용한 성형체의 제조

실험을 통하여 얻어진 나일론 6 분말에 나일론 12(평균입경이 50㎛이고 완구율이 0.7~0.9인 3D System사의 DuraForm® PA)를 중량비 1:1로 혼합하여 소결하였다. 위와 같은 비율의 나일론 12와 나일론 6의 혼합 분말을 레이저 소결용 장비(한국기계연구원의 SFFS장비)의 피드룸에 넣어주고 질소기체를 넣어준 상태에서 기계내부온도가 소결온도인 178℃가 될 때까지 예열하고 롤러를 이용하여 100㎛ 두께로 적층한 뒤 CO2레이저를 이용하여 소결 성형 하였다.

얻어진 물성은 하기 표 1에 나타내었다.

[비교예 3]

나일론 12만을 이용하여 소결한 경우

나일론 12(평균입경이 50㎛이고 완구율이 0.7~0.9인 3D System사의 DuraForm® PA)를 레이저 소결용 장비(한국기계연구원의 SFFS장비)의 피드룸에 넣어주고 질소기체를 넣어준 상태에서 기계내부온도가 소결온도인 178℃가 될 때까지 예열하였다.

롤러를 이용하여 100㎛ 두께로 적층한 뒤 CO2레이저를 이용하여 소결하였으며, 소결 후 30분간 유지하였다가 성형체를 꺼냈다.

이렇게 하여 얻어진 입체 성형품의 물성을 측정하였다. 얻어진 물성은 도 1 및 2에 나타내었다.

[표 1]

* 형상(완구율)=분말입자의 (세로 직경/가로 직경)

* 평균입자크기는 레이저회절입도분석기(독일 Sympatec GmbH 사의 HELOS/ RODOS)로 측정하였다.

* 인장강도는 만능재료시험기(UTM: USA의 MTS System Corporation사의 810 System)으로 측정하였다.

본 발명은 레이저 소결용 분말 재료인 나일론 12의 물성을 보완하기 위하여 비슷한 조성을 갖으며 단가가 낮고 물성이 좋은 나일론 6을 첨가 소결 성형하여 기존의 나일론 12만을 단독으로 사용할 때 보다 싼 가격과 더 좋은 물성을 얻을 수 있으며 같은 나일론이므로 따로 커플링제등을 넣어주지 않아도 소결 성형에 무리가 없는 레이저 소결용 분말 재료의 공급을 가능하게 하였다.

또한 본 발명은 펠렛 형태로 시판되는 나일론 6를 이용하여 완구율이 높은 분말형태로 제조하는 방법을 제공할 수 있으며, 본 발명의 제조방법에 따라 제조되는 나일론 6분말은 레이저 분말로 사용하기에 적절한 평균입경과 완구율을 갖으며 나일론 12와 혼합하여 사용함에 따라 인장강도 및 성형성이 향상된 레이저 소결용 분말로 사용될 수 있었다.

Claims (12)

1. a) 펠렛 형태의 나일론 6을 건식 냉동 분쇄 방법을 이용하여 분말로 제조하는 단계;

   b) 분말로 제조된 나일론 6을 열처리하여 완구율을 높이는 단계;

   c) 열처리한 나일론 6 분말을 나일론 11 또는 나일론 12 분말과 혼합하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 소결용 분말의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 a)단계에서 건식 냉동 분쇄 방법은 나일론 6을 액체 질소를 사용하여 냉동하고 고속로터형분쇄기를 통하여 분쇄하여 분말로 제조하는 것을 특징으로 하는 레이저 소결용 분말의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 a)단계 시 체분리를 통하여 입자의 크기가 큰 것은 다시 냉동하여 원하는 입도분포인 20 ~ 100㎛가 될 때까지 분쇄를 반복하는 것을 특징으로 하는 레이저 소결용 분말의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 b)단계는 분말로 제조된 나일론 6의 열변형 온도와 용융점 사이인 65 ~ 220℃로 열을 가한상태에서 교반시켜 0.6 ~ 0.9의 완구율을 갖는 분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 레이저 소결용 분말의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 b)단계는 65 ~ 220℃의 물에 분말 상태의 나일론 6을 넣고 교반시켜 0.6 ~ 0.9의 완구율을 갖는 분말을 제조한 후 건조시키는 것을 특징으로 하는 레이저 소결용 분말의 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 교반 시 유리비드를 넣고 교반을 하여 완구율을 더욱 향상시키는 것을 특징으로 하는 레이저 소결용 분말의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 c)단계에서 나일론6과 나일론 11 또는 나일론 12의 혼합 비율은 0.2 ~ 1 : 1 중량비인 것을 특징으로 하는 레이저 소결용 분말의 제조방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 나일론 11 또는 나일론 12은 입도분포가 40 ~ 70㎛이고, 완구율이 0.7 이상인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 소결용 분말의 제조방법.
9. 제 1항 내지 제 8항에서 선택되는 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 나일론6과 나일론 11 또는 나일론 12의 혼합분말을 이용하여 CO₂레이저를 이용해 소결 성형한 것을 특징으로 하는 성형체.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 소결 성형은 소결용 장비의 피드룸에서 예열하고, 빌드룸에서 분말의 용융점 보다 5 ~ 10℃ 낮은 온도에서 예열한 상태에서 CO₂레이저를 통하여 소결 성형한 것을 특징으로 하는 성형체.
11. 건식 냉동 분쇄 방법에 의해 제조된 평균입경이 20 ~ 100㎛이고, 완구율이 0.6 ~ 0.9인 나일론 6 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 소결용 분말.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 레이저 소결용 분말은 상기 나일론 6 분말과 나일론 11 또는 나일론 12를 0.2 ~ 1 : 1 중량비로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 소결용 분말.

Images