KR20160082436A

KR20160082436A - 3d 프린터용 복합 필라멘트 조성물 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20160082436A
Application number: KR1020140193155A
Authority: KR
Inventors: 김성진; 김영혁; 김영수; 백정녀
Original assignee: (주)비앤케이
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2016-07-08
Also published as: KR101774941B1

Abstract

본 발명의 일 실시예는 열가소성 수지 100중량부; 및 레이온계, 피치계, 폴리아크릴로니트릴계, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 탄소 섬유 5~80중량부;를 포함하는, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물 및 그 제조방법{MULTI-FILAMENT COMPOSITION FOR 3-DIMENSIONAL PRINTER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 지속적으로 제기되어온 환경 문제로 인해, 전 사업 분야에 환경 규제가 강화되고 있다. 특히, 자동차 분야는 이산화탄소를 배출하여 온실 효과를 일으키는 주요 산업으로 지목되면서 세계적으로 이산화탄소 배출 기준이 설정되기에 이르렀다. 이에 따라, 자동차의 개발 방향은 연비 향상을 목표로 하는 추세이며, 미국은 2016년까지 15.1km/ℓ, 2025년까지 23km/ℓ, 국내의 경우 2015년까지 17km/ℓ 수준으로 연비를 향상시키는 것을 목표로 하고 있다.

자동차 업체에서는 연비 향상을 목표로 차체의 경량화를 제안하고 있으며, 그 방법으로는 재료의 경량화와 차체 디자인의 최적화가 있다. 재료의 경량화를 위해 일반적으로 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등의 비철 금속류가 사용되어 왔으나, 최근 고분자 복합 재료가 많이 적용되고 있으며, 특히, 적절한 강도가 보강된 고강도 초경량화 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber-Reinforced Plastic, CFRP)이 고분자 복합 재료 중 경량화 소재로 각광받고 있다. 그러나, 성형 공정의 어려움으로 인해 탄소 섬유 강화 플라스틱의 부품 성형 등 차량 적용이 제한적으로 이루어지고 있는 실정이다.

한편, 차체 디자인 최적화는 차체의 공기 저항을 최소화하여 차량의 경량화를 위한 방법이지만 시제품 제작 및 적용에 많은 시간과 비용이 소요된다.

이에 대해, 3D 프린터 기술을 이용하여 제품 개발 및 제작에 필요한 시간을 단축하는 방안이 제안되었다. 3D 프린터란 설계 데이터에 따라 재료를 가공 및 적층하여 제품을 제조하는 기술이다.

3D 프린터에 사용되는 원료는 액체, 파우더, 고체의 형태일 수 있는데, 액체 및 파우더 원료의 경우 장비와 재료가 고가인 반면에, 고체 원료를 이용한 필라멘트 프린팅 방식은 열가소성 플라스틱을 이용하기 때문에 저가이며 프린팅이 용이하여 널리 사용되고 있다. 다만, 열가소성 플라스틱만으로는 제품의 기계적 물성을 일정 수준 이상으로 개선하기 어렵다는 문제가 있다.

이에 따라, 3D 프린터에 용이하고 저렴하게 적용할 수 있으면서도 제품의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 복합 원료 조성물의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 3D 프린터 기술을 도입하여 자동차 경량화 부품을 제조하기 위한 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면은 열가소성 수지 100중량부; 및 레이온계, 피치계, 폴리아크릴로니트릴계, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 탄소 섬유 5~80중량부;를 포함하는, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 열가소성 수지가 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리우레탄(polyurethane), 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 열가소성 수지가 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephtalate), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene), 폴리아미드6(polyamide6), 폴리아미드66(polyamide66), 변성 폴리페닐렌 옥사이드(modified polyphenylene oxide), 폴리프탈아미드(polyphtalamide), 액정고분자(liquid crystal polymer), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone), 폴리이미드(polyimide), 폴리아미드(polyamide) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 탄소 섬유가 레이온계 또는 피치계 탄소 섬유이고, 상기 탄소 섬유의 함량이 상기 열가소성 수지 100중량부에 대해 10~80중량부일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 탄소 섬유가 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유이고, 상기 탄소 섬유의 함량이 상기 열가소성 수지 100중량부에 대해 5~70중량부일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물이 수산화마그네슘, 탄산칼슘, 실리카, 수산화알루미늄, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 난연성 첨가제를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 난연성 첨가제의 함량이 상기 열가소성 수지 100중량부에 대해 5~80중량부일 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 일 측면은 (a) 열가소성 수지 100중량부와 탄소 섬유 5~80중량부를 용융 혼련하고, 난연성 첨가제 5~80중량부를 투여하여 혼합물을 제조하는 단계; (b) 상기 혼합물을 단축 압출기 또는 이축 압출기로 압출하여 압출물을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 압출물을 절단하여 펠렛화하는 단계;를 포함하는, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물의 제조방법을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 압출기의 길이 : 지름의 비율이 25~50 : 1일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 압출기의 구동 속도가 50~500rpm일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물은 열가소성 수지에 대해 미리 정해진 양의 탄소 섬유가 혼합되어 기계적 물성과 성형성을 향상시킬 수 있고, 자동차용 또는 전자제품용 경량 부품의 제작에 필요한 비용과 시간을 절감할 수 있으며, 다품종, 다구조 소량 생산 시스템에 최적화될 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물의 제조방법을 도식화한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물

본 발명의 일 측면은 열가소성 수지 100중량부; 및 레이온계, 피치계, 폴리아크릴로니트릴계, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 탄소 섬유 5~80중량부;를 포함하는, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물을 제공한다.

상기 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물은 열가소성 수지를 기지 상으로 하고, 이에 탄소 섬유를 용융 혼련하여 제조된 조성물일 수 있다.

일반적으로, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물의 기지 상으로 열가소성 수지 및 열경화성 수지가 이용될 수 있으나, 열경화성 수지는 경화 및 내충격성의 문제점을 가지고 있어 후속 성형 공정에 어려움이 존재한다.

반면, 열가소성 수지는 열경화성 수지에 비해 성형성이 우수하기 때문에, 바람직하게는, 기지 상으로 열가소성 수지를 사용할 수 있다.

상기 열가소성 수지가 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리우레탄(polyurethane), 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 범용 플라스틱일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에 사용된 용어, "범용 플라스틱(Commodity plastics)"은 일반적인 플라스틱의 물성을 가진 플라스틱을 의미한다.

또한, 상기 열가소성 수지가 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephtalate), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene), 폴리아미드6(polyamide6), 폴리아미드66(polyamide66), 변성 폴리페닐렌 옥사이드(modified polyphenylene oxide), 폴리프탈아미드(polyphtalamide), 액정고분자(liquid crystal polymer), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone), 폴리이미드(polyimide), 폴리아미드(polyamide), 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 엔지니어링 플라스틱 또는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

본 명세서에 사용된 용어, "엔지니어링 플라스틱(engineering plastics)"은 범용 플라스틱의 최대 단점인 열적 성질과 기계적 강도를 보완하여 공학 소재(engineering material)에 적용할 수 있는 물성을 가지는 플라스틱을 의미하며, "슈퍼 엔지니어링 플라스틱(super-engineering plastics)"은 엔지니어링 플라스틱보다 열적 및 기계적 물성이 더욱 개선된 고기능성 플라스틱을 의미한다.

상기 범용 플라스틱과 상기 엔지니어링 또는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱은 상기 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물의 기지 상으로서 상호 독립적으로 사용될 수 있고, 최종 제품의 용도, 물성, 제조 비용 등을 고려하여 필요에 따라 혼합 사용될 수도 있다. 예를 들어, 엔지니어링 또는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱의 고유 물성을 구현하고자 하나, 이 경우, 상업적 구득 가능성이 낮고 제조 비용이 상승할 수 있으므로, 범용 플라스틱을 일정 비율로 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 탄소 섬유가 레이온계 또는 피치계 탄소 섬유이고, 상기 탄소 섬유의 함량이 상기 열가소성 수지 100중량부에 대해 10~80중량부일 수 있다.

상기 탄소 섬유는 섬유 형태의 유기 전구체 물질, 즉, 출발 물질을 불활성 분위기에서 열분해하여 제조할 수 있다. 탄소 섬유의 물성 중 탄화 수율을 높이는 것이 중요하고, 이를 위해서는, 내부 구조가 제어되고 순도가 높은 고분자 전구체 섬유의 제조, 안정화된 전처리 공정 및 탄화 공정 등이 필요하다.

상기 탄소 섬유는 전구체 물질에 따라 레이온(rayon)계, 피치(pitch)계, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)계로 구분될 수 있다. 이들 중 피치계로부터 제조되는 고탄성률 탄소 섬유와 폴리아크릴로니트릴계로부터 제조되는 고강도 탄소 섬유가 널리 쓰이고 있으며, 본 발명에서는 레이온계, 피치계, 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유를 선택적으로 사용하거나, 이들 중 2 이상의 혼합물을 사용할 수도 있다.

상기 레이온계 탄소 섬유는 결함이 적은 특수 등급의 비스코스 레이온(viscous rayon)을 사용하여 제조할 수 있다. 탄화 수율은 2~20% 이고, 제조된 탄소 섬유는 인장 강력 345~690MPa, 인장탄성계수 20~55GPa, 밀도 1.0~1.43g/cm³일 수 있다. 이러한 물성은 2800~3000℃에서 연신 흑연화함으로써 더욱 향상될 수 있다.

상기 피치계 탄소 섬유는 피치는 원료 물질에 따라 석유 피치와 석탄 피치로부터 제조될 수 있다. 피치는 응축된 벤젠 고리가 알킬 사슬을 가지고 있거나 알킬 사슬에 의해 분리되어 있는 다수의 이종 유기 화합물이 복잡하게 혼합된 형태로 존재한다. 특히, 메조페이즈 피치(mesophase pitch) 용융체를 액정 방사하여 제조되는 전구체 섬유는 탄화 및 흑연화 공정 중에 축 배향이 유지되거나 향상될 수 있어 연신을 가하지 않고도 약 830GPa의 인장탄성계수를 가질 수 있다.

한편, 상기 레이온계 또는 피치계 탄소 섬유의 함량이 상기 열가소성 수지 100중량부에 대해 10~80중량부일 수 있다. 상기 레이온계 또는 피치계 탄소 섬유의 함량이 10중량부 미만이면 기계적 물성이 저하될 수 있고, 80 중량부 초과이면 열가소성 수지의 상대적인 함량이 적어져 복합 필라멘트 조성물의 균일도가 저하될 수 있고, 제조 비용이 상승할 수 있다.

상기 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴 전구체 섬유의 제조 및 전구체 섬유의 안정화, 탄화, 및 흑연화 공정을 거쳐 제조될 수 있다. 구체적으로, 선형 고분자인 폴리아크릴로니트릴을 출발 물질로 하여 공기 중 200~300℃에서 1~2시간의 안정화 공정을 거치면 사슬 절단, 가교, 탈수소 반응과 고리화 반응 등에 의해 전구체 물질은 탄화 공정을 견딜 수 있는 열적으로 안정한 사다리 구조(ladder structure)를 형성할 수 있다.

상기 안정화 공정에서 분자의 배향을 유지 및 개선시키기 위해, 연신을 가하여 수축을 15% 이내로 가할 수 있다. 또한, 상기 안정화 공정에서는 복잡 다단한 화학 반응이 수반되며 물, 이산화탄소, 시안화수소 등이 방출되어 5~8%의 중량 손실이 발생할 수 있고, 전구체 섬유 내의 탄소 함량은 68%에서 62~65%의 범위로 감소할 수 있다. 이 후, 상기 전구체 섬유를 1200~2500℃, 불활성 기체 분위기에서 탄화시키면 전구체 섬유의 전체 중량을 기준으로 45~55중량%의 탄소 섬유를 수득할 수 있다.

상기 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유는 거의 탄소로만 이루어져 있어 2500℃ 이상의 흑연화 공정에서도 중량 감소가 최소화될 수 있고, 탄소 섬유의 축 방향으로의 결정 배향이 증가하는 구조적 변화가 일어날 수 있어, 탄소 섬유의 역학적 특성이 향상될 수 있다.

상기 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유의 인장탄성계수는 흑연화 공정 간의 열처리 온도에 따라, 3000℃ 이상에서 열처리하는 경우 517GPa 이상일 수 있다. 상기 흑연화 공정에서 공정 온도를 낮추고 공정 시간을 단축시키기 위해 붕소 화합물을 촉매를 사용할 수도 있다.

또한, 상기 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유의 함량이 상기 열가소성 수지 100중량부에 대해 5~70중량부일 수 있다. 상기 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유의 함량이 5중량부 미만이면 기계적 물성이 저하될 수 있고, 70중량부 초과이면 열가소성 수지의 상대적인 함량이 적어져 복합 필라멘트 조성물의 균일도가 저하될 수 있고, 제조 비용이 상승할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물은 수산화마그네슘, 탄산칼슘, 실리카, 및 수산화알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 난연성 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 첨가제는 열적 성질 및 내연소성이 취약한 플라스틱의 난연성을 부여하는 역할을 수행하는 것으로서, 성분에 따라 할로겐계 난연제, 무기계 난연제, 인계 난연제, 및 멜라닌계 난연제가 사용될 수 있다.

상기 할로겐계 난연제는 브롬계와 염소계로 구분될 수 있다. 상기 브롬계 난연제는 ABS, PS, PBT, 에폭시 수지 등에 사용될 수 있고, 적은 양으로도 우수한 난연 효과를 구현할 수 있다는 장점이 있으나, 플라스틱의 재활용이 불가능하고 연소 시 다이옥신과 같은 유독성 환경오염 물질을 배출하는 문제점 있다.

상기 무기계 난연제는 주로 수산화알루미늄, 산화안티몬, 수산화마그네슘, 주석산아연, 몰리브덴산염, 구아니딘계, 지르코늄 등이 있다. 이 중, 수산화알루미늄은 무독성, 저발연성이고 전기 절연성이 우수하며 가격이 저렴한 장점이 있으나, 분해 온도가 180~220℃로 가공 온도가 낮은 플라스틱에만 적용될 수 있고, 난연성을 부여하기 위해 다량 적용되어야 하기 때문에 플라스틱 재료의 기계적 물성과 가공성을 저하시킬 수 있다.

상기 인계 난연제는 적인, 암모늄 포스페이트, 암모늄 폴리포스페이트, 할로알킬 포스페이트 등이 있다. 인계 난연제는 고체상 반응에서 우수한 난연 효과를 나타내며, 특히, 산소를 다량 함유하는 플라스틱에 효과적이다.

상기 멜라닌계 난연제는 멜라닌 포스페이트, 멜라닌 시아누레이트, 멜라닌 포스페이트 등이 있다. 상기 멜라닌계 난연제는 유독성 기체의 발생이 없고, 연소 시 매연 발생량이 적어 환경에 대한 위험도가 적다.

상기 난연성 첨가제의 함량은 상기 열가소성 수지 100중량부에 대해 5~80중량부일 수 있다. 상기 난연성 첨가제의 함량이 상기 열가소성 수지 5중량부 미만이면 필요한 수준의 난연 효과를 구현할 수 없고, 80중량부 초과이면 열가소성 수지의 상대적인 함량이 적어져 복합 필라멘트 조성물의 균일도가 저하될 수 있고, 제조 비용이 상승할 수 있다.

한편, 상기 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물은, 이를 사용하여 제조되는 제품 또는 부품의 용도, 설치 부위, 제조 비용 등에 따라 자외선 흡수제, 충격 보강제, 안료, 가소제, 결합제 등과 같은 기능성 첨가제를 추가로 포함할 수도 있다.

복합 필라멘트 조성물의 제조방법

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 필라멘트 조성물의 제조방법을 도식화한 것이다.

본 발명의 다른 일 측면은 (a) 열가소성 수지 100중량부와 탄소 섬유 5~80중량부를 용융 혼련하고, 난연성 첨가제 5~80중량부를 투여하여 혼합물을 제조하는 단계(S100); (b) 상기 혼합물을 단축 압출기 또는 이축 압출기로 압출하여 압출물을 제조하는 단계(S200); 및 (c) 상기 압출물을 절단하여 펠렛화하는 단계(S300);를 포함하는, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물의 제조방법을 제공한다.

상기 (a)단계(S100)에서 상기 열가소성 수지는 범용 플라스틱, 엔지니어링 또는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱일 수 있다. 상기 범용 플라스틱과 상기 엔지니어링 또는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱은 상기 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물의 기지 상으로서 상호 독립적으로 사용될 수 있고, 최종 제품의 용도, 물성, 제조 비용 등을 고려하여 필요에 따라 혼합 사용될 수도 있다.

또한, 상기 (a) 단계(S100)에서 상기 탄소 섬유는 타 물질과 혼합되지 않은 상태의 순수 탄소 섬유의 형태로 투여될 수 있으나, 이 경우, 혼합물 중 탄소 섬유의 분산성이 저하될 수 있기 때문에 탄소 섬유와 계면활성제를 포함하는 마스터배치의 형태로 투여되어 상기 열가소성 수지와 혼합될 수도 있다.

상기 계면활성제는 비이온 계면활성제, 음이온 계면활성제, 양쪽성 계면활성제, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있다.

상기 비이온 계면활성제는, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올, 벤질알코올, 1,4-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,2-부탄디올, 1,6-헥산디올, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 트리메틸올프로판, 솔비톨, 자이리톨, 글리세린, 디글리세린, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜페닐에테르, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리프로필렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜페닐에테르, 디부틸디글리콜, 3-메틸-3-메톡시부탄올, 2-(2-부톡시에톡시)에탄올, 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 폴리옥시에틸렌경화피마자유, 폴리옥시에틸렌소르비탄지방산에스테르, 폴리옥시에틸렌지방알코올, 및 폴리옥시에틸렌알킬페닐에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 알코올일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 음이온 계면활성제는, 포스페이트(계), 설페이트(계), 설포네이트(계), 사코시네이트(계), 글루타메이트(계), 이세치오네이트(계) 화합물, 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 양쪽성 계면활성제는, 아세테이트(계), 이미다졸(계), 베타인(계), 포스파티드(계) 화합물, 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

그 외 상기 범용 플라스틱, 엔지니어링 또는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱, 탄소 섬유, 난연성 첨가제, 기타 첨가제의 정의, 성질, 종류에 관해서는 전술한 것과 같다.

한편, 상기 (b)단계(S200)에서 이용 가능한 압출기는 단축 압출기(single-screw extruder) 또는 이축 압출기(twin-screw extruder)일 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어, "단축 압출기", "이축 압출기"는 각각 1개, 2개의 스크류를 구비하는 스크류식 압출기를 의미한다.

상기 단축 압출기는 대부분의 열가소성 수지의 압출 성형에 적합하고, 상기 이축 압출기는 구경이 큰 배관, 예를 들어, 폴리비닐클로라이드(PVC) 배관의 제작에 주로 이용된다. 상기 이축 압출기는 단축 압출기에 비해 구조가 복잡하여 설비가 비싸지만, 느린 스크류 구동 속도에서도 압출량이 많고 일정하며 안정된 압출이 가능하여 널리 이용되고 있다.

도면에 도시되지는 않았으나, 원료 투입부로 상기 열가소성 수지와 탄소 섬유가 투여되면, 스크류가 투입된 상기 열가소성 수지와 탄소 섬유를 용융 혼련하고, 여기에 난연성 첨가제를 추가로 투여하여 혼합물을 제조하며, 혼합물을 필라멘트로 압출한 후 압출물을 절단하도록 압출기를 설계할 수 있다.

상기 압출기가 상기 혼합물을 압출 방사하는 경우, 상기 압출기의 스크류 온도를 170~250℃, 바람직하게는, 180~220℃의 범위로 조절할 수 있다. 압출 과정에서 상기 혼합물에 가해지는 압력과 온도에 의한 혼합물의 파괴 가능성을 고려하여, 상기 열가소성 수지의 종류에 따라 상기 압출기의 스크류 온도를 상이하게 조절할 수 있다.

일반적으로, 상기 필라멘트는 미리 정해진 직경을 가지도록 압출될 수 있으나, 미리 압출된 필라멘트의 평균 직경이 3D 프린터 노즐의 직경과 상이한 경우에는 사용이 제한될 수 있으므로, 상기 (c)단계(S300)에서는 상기 필라멘트의 후속적 또는 추가적 압출 또는 사용이 가능하도록 상기 압출물을 절단하여 펠렛화하여 후속 공정의 편리성을 도모할 수 있다.

한편, 상기 압출기의 길이 : 지름의 비율이 25~50 : 1일 수 있다. 상기 압출기의 "길이 : 지름의 비율"은, 상기 스크류의 길이(length, L)와 직경(diameter, D)의 비율을 의미하고, 이는 압출기의 압출 성능을 결정하는 요소 중 하나이다. 일반적으로, 스크류의 "길이 : 지름의 비율" 값이 클수록 혼련 효과와 제품의 품질이 향상되고 압출량의 편차를 줄일 수 있으나, 압출기에 투여되는 재료의 종류와 성질에 따라 길이 : 지름의 비율을 상이하게 조절할 수 있다.

상기 압출기의 길이 : 지름의 비율이 25 : 1미만이면 필요한 수준의 혼련 효과를 구현할 수 없고, 50 : 1 초과이면 압출기의 크기 및 구동 모터의 용량에 영향을 주어 공정 효율이 저하될 수 있다.

또한, 상기 압출기의 구동 속도가 50 내지 500rpm일 수 있다. 상기 압출기의 구동 속도는 상기 압출기 내에 구비된 스크류의 회전 속도를 의미하고, 상기 압출기의 구동 속도가 50rpm 미만이면 필요한 수준의 혼련 효과를 구현할 수 없고, 500rpm 초과이면 스크류의 회전 수에 비해 모터의 회전 수가 현저히 크기 때문에 모터 및 감속 장치에 과도한 하중을 가하여 손상을 입힐 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

열가소성 수지 100중량부; 및
레이온계, 피치계, 폴리아크릴로니트릴계, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 탄소 섬유 5~80중량부;를 포함하는, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 열가소성 수지가 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리우레탄(polyurethane), 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 열가소성 수지가 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephtalate), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene), 폴리아미드6(polyamide6), 폴리아미드66(polyamide66), 변성 폴리페닐렌 옥사이드(modified polyphenylene oxide), 폴리프탈아미드(polyphtalamide), 액정고분자(liquid crystal polymer), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone), 폴리이미드(polyimide), 폴리아미드(polyamide) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 탄소 섬유가 레이온계 또는 피치계 탄소 섬유이고, 상기 탄소 섬유의 함량이 상기 열가소성 수지 100중량부에 대해 10~80중량부인, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 탄소 섬유가 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유이고, 상기 탄소 섬유의 함량이 상기 열가소성 수지 100중량부에 대해 5~70중량부인, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물이 수산화마그네슘, 탄산칼슘, 실리카, 수산화알루미늄, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 난연성 첨가제를 더 포함하는, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물.
제6항에 있어서,
상기 난연성 첨가제의 함량이 상기 열가소성 수지 100중량부에 대해 5~80중량부인, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물.
(a) 열가소성 수지 100중량부와 탄소 섬유 5~80중량부를 용융 혼련하고, 난연성 첨가제 5~80중량부를 투여하여 혼합물을 제조하는 단계;
(b) 상기 혼합물을 단축 압출기 또는 이축 압출기로 압출하여 압출물을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 압출물을 절단하여 펠렛화하는 단계;를 포함하는, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 압출기의 길이 : 지름의 비율이 25~50 : 1인, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 압출기의 구동 속도가 50~500rpm인, 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물의 제조방법.