KR20130111529A - 조형용 재료, 기능제, 조형 제품 및 제품 - Google Patents

조형용 재료, 기능제, 조형 제품 및 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 융점이 1400℃를 넘는 고융점 금속을 주탕 가능한 분말 고착 적층법에 있어서의 조형용 재료 및 기능제를 제공하는 것이다. 70중량% 이상의 주물모래와, 상기 주물모래를 상호로 결착시키는 바인더의 가루 형상 전구체인 시멘트 또는 내열성을 갖는 수지가 혼합되어서 이루어지는 분말 고착 적층법에 있어서의 조형용 재료를 제조한다. 그리고, 이 종류의 조형용 재료와 함께, 상기 가루 형상 전구체를 바인더로 변질시키는 기능제를 이용한다.

Description

조형용 재료, 기능제, 조형 제품 및 제품{MATERIAL FOR MOLDING, FUNCTIONAL AGENT, MOLDED PRODUCT AND PRODUCT}
본 발명은, 조형용 재료, 기능제, 조형 제품 및 제품에 관한 것으로써, 특히 분말 고착 적층법에 있어서의 조형용 재료, 기능제, 조형 제품 및 제품에 관한 것이다.
종래에는, 3차원 제품의 횡단면 부분을 형성하고, 그리고 각각의 횡단면 영역을 층(層)방향으로 집합시켜서, 주형(鑄型)을 제조하는 방법이 있다. 이 방법에서는, 각각의 횡단면 영역은, 주조모래와 그 바인더로서 기능하게 되는 다량(多量)의 광물 석고(石膏)를 함유한 플라스터(plaster)를 포함하는 입(粒)형상 재료에, 수성 유체를 공급하는 잉크젯 프린트헤드를 이용하여 형성된다. 이 종류의 주형 제조 방법은, 분말 고착 적층법이라고 불리고 있다(특허문헌 1).
1. 일본국 공개특허 제2002-528375호 공보
여기서, 석고가 1000℃ 정도의 온도에서 가열되면, 석고의 주성분인 황산 칼슘이 열분해되고, 아황산가스가 발생한다. 따라서, 특허문헌 1에 개시되어 있는 기술에 대해서, 융점이 1000℃를 넘는 재료(예를 들면, 고융점 금속)를 주물 재료로 한 경우에는, 주탕(注湯) 온도가 1400℃를 넘고, 용탕(溶湯)이 주형에 접했을 때에 주형이 과열(過熱)되고 아황산가스 등이 발생한다. 이 결과, 주물에 기포소 등의 결함이 생겨버린다. 따라서, 현실적으로는, 석고를 이용하여 제조된 주형에 대해서 사용 가능한 주물 재료는, 저융점 금속이며 주탕 온도가 1000℃ 정도 이하의 한정적인 금속 재료였다.
그래서, 본 발명은, 주탕 온도가 1400℃를 넘는 고융점 금속이더라도 주탕 가능한 분말 고착 적층법에 있어서의 조형용 재료 및 그것을 이용하여 제조되는 조형 제품(예를 들면, 주형), 나아가서는, 상기 조형 제품을 성형품으로서 이용하여 제조된 제품(예를 들면, 주물)을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 골재와 상기 골재를 상호(相互)로 결착(結着)시키는 바인더의 가루 형상 전구체(前驅體)가 혼합되어 이루어지는, 분말 고착 적층법에 있어서의 조형용 재료로써, 상기 골재는 인공 주물모래이며, 상기 가루형상 전구체는, 알루미나를 주성분으로 하는 시멘트이다.
즉, 본 발명에 따르면, 석고 대신에 알루미나를 주성분으로 하는 시멘트를 채용함으로써, 용탕(溶湯) 온도가 1400℃를 넘는 고융점 금속 등을 주탕하더라도, 그 온도에 견딜 수 있는 조형 제품을 제조하는 것이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 조형용 재료를 이용하여 제조된 조형 제품(예를 들면, 주형), 나아가서는, 상기 조형 제품을 성형품으로서 이용하여 제조된 제품(예를 들면, 주물)도, 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 한다.
또한, 본 발명은, 골재와 상기 골재를 상호로 결착시키는 바인더의 가루 형상 전구체가 혼합되어 이루어지는, 분말 고착 적층법에 있어서의 조형용 재료와 함께 이용되고, 상기 가루 형상 전구체를 바인더로 변질시키는 기능제로써, 상기 골재는 인공 주물모래이며, 상기 가루 형상 전구체는, 알루미나를 주성분으로 하는 시멘트이다. 이 기능제는, 상기 조형용 재료와 함께 이용되고, 상기 가루 형상 전구체를 바인더로 변질시키는 것이다.
이 기능제에는, 추가로, 방부제(防腐劑), 소포제(消泡劑), 건조제 중 적어도 어느 하나를 포함해도 좋다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예의 조형용 재료 및 기능제는, 분말 고착 적층법을 채용한, 래피드 프로토 타입(rapid prototype)의 입체 조형물 제조 장치에 이용되는 것이다. 입체 조형물 제조 장치는, 예를 들면, Z코퍼레이션사의 SpectrumZ310-3Dprinter, EX ONE사의 Prometal-S15를 이용할 수 있다.
1. 조형용 재료에 대해서
본 실시예의 조형용 재료는, 분말 고착 적층법에 있어서 바람직하게 이용할 수 있는 것이다. 이 조형용 재료는, 평균 직경이 10㎛ ~ 90㎛의 골재를 구비한다. 골재의 평균 직경은, 이 범위로 하는 것이 필수는 아니지만, 이 범위 내의 크기의 골재는, 적층 불량이 생기기 어렵다는 이점이 있다. 본 실시예의 조형용 재료를 이용하여 주형을 제조한 경우에는, 골재로서 주물모래를 채용하는 것을 생각할 수 있는데, 그 평균 직경은, 바람직하게는, 주물 표면의 품질과 용융 금속을 주탕 시에 발생하는 가스의 통기성을 고려하여, 주물모래의 평균 직경을 20㎛ ~ 75㎛로 하면 좋다.
주물모래는, 성분의 관점으로부터 하면, 천연 주물모래여도 좋고, 세라믹 등의 인공 주물모래여도 좋다. 다만, 인공 주물모래 쪽이 평균 직경의 크기에 불균일이 없고, 저열(低熱) 팽창화, 가루 형상 전구체의 고충전성(高充塡性)을 얻을 수 있다고 하는 점에서 바람직하다. 특히, 인공 주물모래는, 진구형(眞球形)에 가깝기 때문에, 하기의 가루 형상 전구체와의 혼합을 시키기 쉽다고 하는 효과가 있다.
또한, 주물모래는, 새로운 모래뿐만 아니라, 재생모래를 이용하는 것도 가능하다. 본 실시예에 있어서 바람직하게 이용되는 주물모래는, 시판품으로서는, 루나모스(ルナモス)(카오 쿠에이커 회사 제품), 아루샌드(アルサンド)(군에이 보덴 회사 제품), 나이가이세라비즈(ナイガイセラビ-ズ)(이토츄 세라테크 회사 제품), 지르콘샌드(ジルコンサンド), 크로마이토샌드(クロマイトサンド) 등을 이용할 수 있다. 주물모래는, 다양한 입경(粒徑)의 것을 이용하면, 측벽 효과에 의해 하기의 가루 형상 전구체와 혼합시키기 쉽다고 하는 효과가 있기 때문에, 입경 분포로 넓어지도록 하면 좋고, 이를 위해서는, 혼합모래를 이용하는 것도 한 방법이다.
또한, 본 실시예의 조형용 재료는, 내열성(耐熱性)을 갖는 가루 형상 전구체를 구비한다. 이 가루 형상 전구체에는, 예를 들면, 알루미나 시멘트 등의 알루미나를 주성분으로 하며, 지수(止水) 시멘트 등의 빨리 굳는 성질이 뛰어난 시멘트를 부(副)성분으로 하는 시멘트 혼합물로 할 수 있다. 여기서 말하는 내열성이란, 주물의 제조에 대해서 말하면, 주물 재료를 주형으로 주탕했을 때에, 주물 재료와 주형과의 접촉면에서 소요되는 셸(shell)이 형성된다고 하는 조건을 충족하는 것을 말한다. 따라서, 반드시 가루 형상 전구체의 융점이, 1400℃를 넘을 필요는 없다.
여기서, 가루 형상 전구체에 대해서 보충해 둔다. 우선, 가스 결함을 방지한다고 하는 관점에서 보면, 석고분이 포함되어 있지 않은 시멘트를 이용해도 좋다. 이 종류의 시멘트의 전형적인 예로서는, 알루미나 시멘트를 들 수 있다. 알루미나 시멘트는, 상기와 같이 내열성 등의 메리트도 있기 때문에 적합하다. 다만 본 출원 시점에서 존재하는 알루미나 시멘트는, 경화(硬化) 속도의 면에서는 빨리 굳는 성질이 뛰어난 다른 시멘트에 비해서 저하된다.
한편으로, 본 실시예의 발명의 경우에는, 주물 표면을 고해상도로 한다는 요청도 있다. 이를 위해서는, 빨리 굳는 성질이 뛰어난 시멘트를 이용해도 좋다. 이 종류의 시멘트의 전형적인 예로서는, 지수 시멘트를 들 수 있다. 다만, 지수 시멘트에는, 석고분이 포함되어 있기 때문에, 가스 결합의 발생은 부정할 수 없다.
이상의 고찰로부터, 가루 형상 전구체로서는, 내열성이 있는 것에 더하여, 석고분이 없으며, 빨리 굳는 성질이 뛰어나다고 하는 조건을 만족하는 시멘트를 이용한다고 할 수 있다. 그러나, 이러한 단일 시멘트는, 본 출원 시점에서는 존재하고 있지 않기 때문에, 상기 양(兩) 시멘트의 단점(demerit)를 보완하기 위해, 본 실시예에서는, 알루미나 시멘트와 지수 시멘트와의 혼합 시멘트를 이용하도록 하고 있다. 이 때, 가루 형상 전구체로서는, 빨리 굳는 성질이라고 하는 일면에서 메리트가 있는 지수 시멘트보다, 내열성을 가지며, 가스 결함을 억제한다고 하는 양면에서 메리트가 있는 알루미나 시멘트를 주성분으로 해야 하는 것이다.
한편, 시멘트는, 블레인 비표면적값이 클수록 시멘트의 입경(粒俓)이 작고, 수화(水和) 반응이 촉진되기 쉬우며, 블리딩(bleeding)량도 감소한다. 또한, 블레인 비표면적값이 클수록 초기 강도가 크다. 따라서, 본 실시예의 경우에는, 블레인 비표면적값이 클수록 바람직하다. 여기서, 예를 들면, 포틀랜드 시멘트는 블레인 비표면적값이 2500㎠/g 정도, 빨리 굳는 시멘트는 4000㎠/g 정도이고, 알루미나 시멘트는 4600㎠/g 정도이다.
그리고, 조형용 재료에는, 각종 조정제를 혼합시키면 좋다. 조정제로서는, 예를 들면, 후술하는 바와 같이, 조형용 재료에 대해서 기능제를 분무(噴霧)했을 때에, 기능제의 잉여분이 그 분무해야 할 위치의 주변으로 물드는 것을 억제하는 것을 들 수 있다. 이 종류의 조정제를 이용하면, 주형의 해상도를 향상시킬 수 있고, 나아가서는 주물 표면의 고품질화를 도모할 수 있다.
또한, 이 종류의 조정제를 이용하면, 기능제의 잉여분의 존재에 의해, 용융 금속을 주탕 시에 발생하는 가스를 감소시킬 수 있기 때문에, 상기 가스에 의해 주물에 결함이 생기는 것을 방지하는 것이 가능하게 된다. 조정제는, 주물모래 또는 가루 형상 전구체의 종류별에 맞는 것을 선택하면 된다.
예를 들면, 가루 형상 전구체가 시멘트인 경우에는, 기능제 본체로서 물을 이용하게 되는데, 이 경우에는, 조정제로서, 규산 소다, 폴리비닐알코올(PVA), 카복시메틸셀루로오스(CMC), 덱스트린(dextrin), 혹은, 이들의 혼합물을 배합할 수 있다. 이에 의해, 기능제 본체인 물의 잉여분이, 규산 소다 등에 흡수되게 된다. 한편, 주물모래의 입경의 크기에 따라, 조정제의 배합 비율을 적절히 선택하면 된다.
주물모래와 가루 형상 전구체와의 혼합 비율을 예시하면, 본 실시예에서는, 예를 들면, 주물모래로서 인공 주물모래를 이용하고, 가루 형상 전구체로서 알루미나 시멘트 및 지수 시멘트를 이용하고, 수분 조정제로서 PVA를 이용한 경우에는, 이들을 대략, 70~75 중량% : 25~30 중량% : 0.5~1.5 중량%로 혼합하면 된다.
또한, 가루 형상 전구체인 알루미나 시멘트 및 지수 시멘트의 혼합 비율로서는, 이들의 성분 조건에도 의하는데, 범용적인 것을 예로 하면, 알루미나 시멘트로서 AGC 세라믹스 회사의 아사히 알루미나 시멘트 1호를 이용하고, 지수 시멘트로서 전기화학공업사의 덴카큐텍스 TYPE0(デンカキュ-テックスTYPE0)를 이용하는 경우에는, 실질적으로 70~80중량% : 20~30 중량%로 하면 된다.
조형용 재료의 제조는 한정적이지 않으며, 주물모래와 가루 형상 전구체와 조정제가 충분히 교반되어 있기만 하면 된다. 따라서, 예를 들면, 약 100kg의 조형용 재료를 제조하는 경우에는, 주물모래를 약 70kg과, 가루 형상 전구체를 약 29kg과, 조정제를 약 1kg 준비하고, 이들을 교반기에 셋팅하여 적절히 교반하면 된다.
표 1 ~ 표 5는, 가루 형상 전구체인 알루미나 시멘트 및 지수 시멘트에 관한 시차열 분석(DTA : differential thermal analysis) 및 열중량 분석(TG : Thermo Gravimetry)의 분석 결과를 나타내는 도면이다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
표 1에는 상술한 Zprinter 450, 650에 있어서 순정품으로서 이용되는 ZP150의 것을, 표 2 및 표 3에는 상술한 아사히 알루미나 시멘트 1호의 것을 나타내고, 표 4 및 표 5에는 덴카큐텍스 TYPE0의 것을 각각 나타내고 있다. 한편, 표 2와 표 3은, 세로축의 척도가 다를 뿐 동일한 분석 결과를 나타내고 있다. 마찬가지로, 표 4와 표 5도, 세로축의 척도가 다를 뿐이다.
먼저, 표 1을 보면, 150℃ ~ 250℃ 부근과 1200℃ 부근에서 TG곡선에 질량의 감소가 나타나고, DTA 곡선에 흡열(吸熱) 피크가 나타나 있다. 이것은, ZP150의 주성분인 석고(CaSO4)·2H2O가, 200℃ 부근에서 열 변화가 발생하고, 아울러, 1200℃ 부근에서 열분해가 발생한 것을 나타낸다. 이에 비해, 표 2를 보면, 표 1에 나타낸 바와 같은 열변화, 열분해 현상을 확인할 수 없었다. 따라서, 알루미나 시멘트에는, 석고분이 포함되어 있지 않다고 할 수 있기 때문에, 알루미나 시멘트를 가루 형상 전구체의 주성분으로 함으로써, 가스 결함의 발생을 억제할 수 있음을 알 수 있다.
다음에, 표 4, 표 5를 보면, 각각, 150℃ 부근, 400℃ 부근, 700℃ 부근, 1300℃ 부근에서, TG 곡선에 질량의 감소가 나타나고, DTA 곡선에 흡열 피크가 나타나 있다. 이것은, 지수 시멘트에 포함되는 석고 성분에 더하여, 수산화칼슘 Ca(OH)2, 탄산칼슘 CaCO3의 열분해가 발생한 것을 나타낸다. 또한, 표 4를 표 1과 대비하면, TG 곡선에 큰 변화가 없는 것으로부터, 온도 변화에 의한 중량 변화가 적은 것을 알 수 있다.
이상의 고찰로부터, 먼저, 주형의 제조 시에는, 가루 형상 전구체로서 ZP150을 이용하는 것은 바람직하지 않다고 하는 것을 알 수 있다. 또한, 가루 형상 전구체의 주성분을 지수 시멘트로 하면, ZP150만큼은 아니지만 석고의 열분해가 발생하기 때문에, 알루미나 시멘트를 주성분으로 하면 좋다는 것도 알 수 있다.
2. 기능제에 대하여
본 실시예의 기능제는, 조형용 재료의 주물모래를 상호로 결착시키도록, 가루 형상 전구체를 바인더로 변질시키는 것이면 된다. 따라서, 기능제는, 예를 들면, 가루 형상 전구체로서 시멘트를 이용하는 경우에는 물을 포함하는 것, 수지(樹脂)를 이용하는 경우에는 상기 수지를 경화(硬化)시키는 것{예를 들면, 수계수지경화제(水系樹脂硬化劑)}으로 할 수 있다. 무엇보다, 수지를 이용한 경우에는, 노즐로부터의 수계수지경화제 등의 분무 대신에, 수지경화용의 에너지(예를 들면, 열 또는 자외선)를 부가해도 된다.
여기서, 가루 형상 전구체로서 시멘트를 이용하는 경우에는, 원리적으로는, 물만을 바인더로 하면 좋은데, 물과 그 분무 수단(노즐 헤드)과의 사이의 마찰에 의해, 상기 분무 수단이 발열하는 경우가 있다. 가루 형상 전구체로서 세라믹스 등을 이용하는 경우도 동일하다. 그리고, 가루 형상 전구체로서 세라믹스 등을 이용하는 경우에는, 노즐 헤드의 막힘을 억제할 필요도 있다. 그래서, 이 발열에 대응하기 위해서, 기능제에는, 온도 상승을 억제하는 억제제 및/또는 기능제 본체의 표면 장력을 조정하는 계면활성제를 혼합하면 좋다.
기능제 본체에 대한 억제제 등의 혼합 비율은, 예를 들면, 가루 형상 전구체로서 시멘트를 이용하는 경우로써, 분무 수단으로서 휴렛 팩커드 회사의 카트리지 Hp11을 이용하는 경우에는, 기능제 본체인 물이 90용량% ~ 95용량%(예를 들면 94용량%), 억제제로서의 글리세린을 4용량% ~ 10용량%(예를 들면 5용량%), 계면활성제를 1용량% ~ 2용량%(예를 들면 1용량%)로 하면 된다. 그리고, 이 바인더에는, 보존성, 작업성 등을 고려하여, 선택적으로, 방부제(防腐劑), 소포제(消泡劑), 건조제(乾燥劑) 등을 포함해도 된다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는, 석고 대신에 가루 형상 전구체를 선택하여, 분말 고착 적층법에 있어서의 조형용 재료를 구성하고 있다. 그래서, 융점이 1400℃를 넘는 고융점 금속을 주탕(注湯)하더라도, 그 온도에 견딜 수 있는 주형을 얻는 것이 가능하게 된다.
본 실시예에서는, 주로, 주형을 제조하는 경우를 예로써 설명했는데, 주형뿐만 아니라 다른 성형형(成形型), 예를 들면, 수지계, 유리계, 또는 고무계 등의 유동경화성 재료를 사용한 성형형을 제조하는 것도 가능하다.

Claims (5)

  1. 골재와 상기 골재를 상호로 결착(結着)시키는 바인더의 가루 형상 전구체가 혼합되어 이루어지는, 분말 고착 적층법에 있어서의 조형용 재료로써,
    상기 골재는 인공 주물모래이고,
    상기 가루 형상 전구체는, 알루미나를 주성분으로 하는 시멘트인 조형용 재료.
  2. 골재와 상기 골재를 상호로 결착시키는 바인더의 가루 형상 전구체가 혼합되어 이루어지는, 분말 고착 적층법에 있어서의 조형용 재료와 함께 이용되고, 상기 가루 형상 전구체를 바인더로 변질시키는 기능제로써,
    상기 골재는 인공 주물모래이고,
    상기 가루 형상 전구체는, 알루미나를 주성분으로 하는 시멘트인 기능제.
  3. 제2항에 있어서, 추가로, 방부제(防腐劑), 소포제(消泡劑), 건조제 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기능제.
  4. 제1항에 있어서의 조형용 재료를 이용하여 제조된 조형 제품.
  5. 제4항에 있어서의 조형 제품을 성형형(成形型)으로서 이용하여 제조된 제품.
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