KR20170060373A - 3d 프린터용 필라멘트 조성물 및 이의 압출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터에 적용되는 PLA(PolyLactic Acid) 소재의 필라멘트 조성물 및 이의 효율적인 압출방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 필라멘트는 Polylactic acid 90 내지 94 중량%와; N-N Ethylene bis 2 내지 5 중량%와; Antioxidant 2 내지 5 중량%; 그리고 Pigment 2 내지 5 중량%를 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, FDM 방식에 적용되는 필라멘트에 있어, 압출성능 및 고화성능이 확보된 PLA 소재의 필라멘트 조성물을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

3D 프린터용 필라멘트 조성물 및 이의 압출 방법 { FILAMENT COMPOSITION FOR FDM TYPE 3D PRINTER AND INJECTION METHOD }

본 발명은 3D 프린터용 필라멘트 조성물 및 이의 압출 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터에 적용되는 PLA(PolyLactic Acid) 소재의 필라멘트 조성물 및 이의 효율적인 압출방법에 관한 것이다.

3D 프린터는 특수 소재를 순차적으로 분사하여 미세한 두께로 층층이 쌓아 올리면서 입체적인 형상물을 제작하는 장비로, 최근 다양한 분야에서 사용이 확산되고 있다.

이와 같은 3D 프린터의 확산과 함께 다양한 방식의 3D 프린터가 개발되어 이용되고 있으며, 이를 크게 출력방식에 따라 구분하면, FDM(적층방식), SLS(분말소결), SLA 그리고 DLP(액체수지)로 구분된다.

먼저, FDM 방식은, 국내에서 가장 널리 적용되는 방식으로, 적층방식을 통해 쌓아올리는 방식으로, 3D프린터는 소재를 실처럼 가늘게 압출하여 한 줄씩 형상을 순차적으로 적층하여 제품을 출력한다.

상기 FDM 방식의 3D 프린터에 적용되는 소재(필라멘트)는 대표적으로 PLA (PolyLactic Acid) 소재와 ABS (Acrylonitile Poly-Butadiens Styrene) 소재가 있다.

상기 PLA 소재는 FDM 방식의 3D프린터에 가장 많이 사용되는 소재로, 친환경 수지로 녹아도 냄새가 나지 않고 유해요소가 거의 없다는 장점이 있다.

한편, 상기 PLA 소재를 이용한 프린팅 제품은 후 가공이 어려워, 출력시 기밀성 및 표면 출력 상태가 양호할 것을 요한다.

그리고 상기 ABS 소재는 기본적으로 Acrylonitile, Poly-Butadiene 및 Styrene로 이루어진 합성 수지로, 후가공이 용이하나 소재를 출력시 냄새가 나며 , 상기 PLA 소재에 비하여 균열 및 수축현상이 크게 발생되는 단점이 있다.

이외에도, FDM 방식의 3D 프린터는 Wood 소재 및 PVA (PolyVinyl Alcohol) 소재 등이 필라멘트로 구성되어 사용될 수 있다.

한편, 3D 프린터의 방식 역시 FDM 방식 이외에, SLS(분말소결)방식, 액체 수지를 이용한 SLA방식 및 DLP방식 등이 있다.

이에 본원 발명은 FDM 방식의 3D 프린터에 관한 것으로, 특히 FDM 방식의 프린터에 제공되는 PLA 소재의 필라멘트 조성물 및 이의 압출방법에 관한 것이다.

3D프린터에 제공되는 필라멘트는 적정한 녹는점 특성에 따라, 프린팅 후 신속하게 고화되도록 하여, 변형 없이 치수 및 형태의 안정성을 확보하면서 프린팅 속도를 향상시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 제조 시 압출이 용이할 것이 요구된다.

한편 이러한 필라멘트에 대한 요구사항은 프린팅 대상물의 종류가 날로 확대됨에 따라 점차 증가하고 있는 추세이며, 이에 따라 상기 필라멘트 조성물에 대한 연구도 활발히 진행되고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허 제10-2015-0098142호, 대한민국 공개특허 제10-2015-0042660호 및 대한민국 등록 특허 제10-1350993호에는 PLA 소재의 필라멘트 조성물에 대한 다양한 기술내용이 개시되어 있다.

(001) 대한민국 공개특허 제10-2015-0098142호 (002) 대한민국 공개특허 제10-2015-0042660호 (003) 대한민국 등록 특허 제10-1350993호

본 발명은 전술한 바와 같은 FDM 방식의 3D 프린터에서 요구되는 조건을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 FDM 방식에 적용되는 압출성능 및 고화성능이 확보된 PLA 소재의 필라멘트 조성물을 제공하고자 하는 것이다.

그리고 본 발명은 본 발명에 의한 필라멘트를 압출하여 출력물을 프린팅함에 있어, 출력물의 치밀성이 확보되어 출력물 내외부에 간극 및 갈라짐의 발생이 억제되고, 모서리나 테두리 영역에서 형태의 왜곡이나 손상이 없는 최적조건의 압출 방법을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 전술하는 바와 같은 압출방법에 적용되어, 압출조건을 더욱 정확하게 보장할 수 있도록 하는 3D 프린터의 노즐 구조를 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 Polylactic acid 90 내지 94 중량%와; N-N Ethylene bis 2 내지 5 중량%와; Antioxidant 2 내지 5 중량%; 그리고 Pigment 2 내지 5 중량%를 포함하여 구성ehls다

그리고 본 발명은 필라멘트 형태의 원재료를 압출하는 노즐과; 상기 노즐을 가열하는 노즐 가열부; 그리고 가열된 필라멘트를 상기 노즐을 통해 압출하도록 가압력을 발생시키는 가압부를 포함하여 구성되는 3D 프린터를 통해 상기 필라멘트를 압출하는 방법에 있어서, 상기 필라멘트는, Polylactic acid 90 내지 94 중량%와, N-N Ethylene bis 2 내지 5 중량%와, Antioxidant 2 내지 5 중량% 그리고 Pigment 2 내지 5 중량%를 포함하여 구성되며; 상기 필라멘트는, Infill Density가 10% 내지 100%이고, 상기 가열부는 상기 노즐의 온도를 195~215℃로 가열하며; 상기 가압부는 상기 필라멘트의 압출속도를 10 내지 70mm/sec로 설정함을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트 조성물의 압출 방법을 포함한다.

이때, 상기 필라멘트는, Infill Density가 30%이고; 상기 가열부는 상기 노즐의 온도를 205~210℃로 가열하며; 상기 가압부는 상기 필라멘트의 압출속도를 20mm/sec로 설정할 수도 있다.

위에서 살핀 바와 같은 본 발명에 의한 3D 프린터용 필라멘트 조성물 및 이의 압출 방법에서는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 FDM 방식에 적용되는 필라멘트에 있어, 압출성능 및 고화성능이 확보된 PLA 소재의 필라멘트 조성물을 제공할 수 있는 효과가 있다.

그리고 본 발명에서는 필라멘트를 압출하여 출력물을 프린팅함에 있어, 출력물의 치밀성이 확보되어 출력물 내외부에 간극 및 갈라짐의 발생이 억제되고, 모서리나 테두리 영역에서 형태의 왜곡이나 손상이 줄어드는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 최적으로 설정된 압출조건이 가열조건에 의해 변형되는 것이 방지될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 적용되는 FDM 방식의 3D 프린터의 일 예를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 출력물의 출력 상태 구분 예를 도시한 예시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 3D 프린터의 노즐 구조를 도시한 예시도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 프린터용 필라멘트 조성물 및 이의 압출 방법을 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명에 적용되는 FDM 방식의 3D 프린터의 일 예를 도시한 예시도이고, 도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 출력물의 출력 상태 구분 예를 도시한 예시도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 3D 프린터의 노즐 구조를 도시한 예시도이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같은, 통상의 FDM 방식의 3D 프린터 구조(델타봇 타입)를 살피면, 3차원 인쇄는 바닥판은 고정된 상태로 인쇄 헤드가 X, Y 및 Z축으로 움직이면서 필라멘트를 토출하여, 한층 한층 쌓아가며 소정의 형상을 구축하는 방식으로 수행된다.

상기 필라멘트는 상단으로부터 풀려서 인쇄 헤드로 공급되는데, 인쇄 헤드로 공급된 필라멘트는 핫멜트 접착제 건(gun)과 유사한 방식으로 용융되어(녹여져) 바닥판 상에 인쇄층을 형성하고 이러한 인쇄층을 계속 적층시켜 출력물을 형성하게 된다.

한편, 본 발명에 의한 필라멘트는 폴리락트산(polylactic acid, PLA) 계열의 조성물로, Polylactic acid, N-N Ethylene bis, Antioxidant 및 Pigment를 포함하여 구성된다.

이때 바람직하게는 상기 필라멘트 조성물은 Polylactic acid 90 내지 94 중량%, N-N Ethylene bis 2 내지 5 중량%, Antioxidant 2 내지 5 중량% 및 Pigment 2 내지 5 중량%를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성된 필라멘트 조성물은 약 1.24g/cm^3 (23℃ 기준)의 Density 를 갖고, 약 160℃의 녹는점을 갖으며, 230℃ 이상의 Decomposition temperature를 갖는다.

또한 약 70℃ 정도의 열변형 온도를 나타내고, 약 6 mm/min 의 인장속도를 나타내며, 약 145%의 최대 신장률을 나타낸다.

이에 따라 본 발명에 의한 필라멘트 조성물은 200℃ 정도의 저온 가열에 의해도 압출성능 및 고화성능이 확보되어, 출력물의 치밀도가 확보될 수 있게 된다.

한편, 3D 프린터에 있어, 필라멘트 조성물이 달라짐에 따라 최적의 출력조건이 변동된다.

이에 따라 출원인은 본 발명에 의한 필라멘트 조성물에 대한 최적의 출력조건을 설정하기 위하여 가열온도, 출력속도 및 밀도(Infill Density)를 달리하여 아래 참고도 1 및 2와 같이 약 300여 회에 걸쳐 출력물 시험을 수행하였다.

[참고도 1]

그리고 이와 같은 전체 실험 데이터 중 유의미한 노즐 온도구간 195℃ ~ 215℃ 구간에 대하여 필라멘트 조성물에 대한 최적의 출력조건을 설정하기 위하여 가열온도, 출력속도 및 밀도(Infill Density)를 변화시켜 약 150여 회에 걸쳐 다음과 같은 시험을 수행하였다.

표 1은 노즐의 가열온도를 195℃로 설정한 상태에서 출력속도 및 밀도를 달리하여 출력된 동일 출력물의 결과를 정리한 표이다.

표 2는 노즐의 가열온도를 200℃로 설정한 상태에서 출력속도 및 밀도를 달리하여 출력된 동일 출력물의 결과를 정리한 표이다.

표 3은 노즐의 가열온도를 205℃로 설정한 상태에서 출력속도 및 밀도를 달리하여 출력된 동일 출력물의 결과를 정리한 표이다.

표 4는 노즐의 가열온도를 210℃로 설정한 상태에서 출력속도 및 밀도를 달리하여 출력된 동일 출력물의 결과를 정리한 표이다.

표 5는 노즐의 가열온도를 215℃로 설정한 상태에서 출력속도 및 밀도를 달리하여 출력된 동일 출력물의 결과를 정리한 표이다.

이와 같은 실험결과를 분석해보면,

출력속도를 10~70mm/sec의 범위에서 실험한 결과, 출력속도 10~20mm/sec일 때가 다른 출력속도보다 출력상태가 우수하게 나타났으며, 출력속도 30~40mm/sec일 때는 출력상태가 보통으로 나타났고, 출력속도 50~70mm/sec일때는 출력상태가 나쁘게 나타났다. 결론적으로 출력속도가 느릴 때에는 출력상태가 우수하게, 출력속도가 빠를 때에는 출력상태가 나쁘게 나타났다.

한편, Infill Density를 10~100%의 범위에서 실험한 결과, 출력속도 10~20mm/sec일 때는 Infill Density 10%일 때를 제외하고는 전 범위에 걸쳐 출력상태가 우수하게 나타났으며, 출력속도 30~40mm/sec일 때는 대체적으로 Infill Density 10~30%일 때 출력상태가 보통이거나 나쁨, 50~100%일 때 출력상태가 우수하거나 보통으로 나타났다.

또한 출력속도 50~70mm/sec일 때는 대체적으로 Infill Density 10~50%일 때 출력상태가 보통이거나 나쁨, 70~100%일 때 출력상태가 우수하거나 보통인 것으로 나타났다.

결론적으로 Infill Density가 높을 때에는 출력상태가 우수하게, 출력속도와 연관됨을 알 수 있다.

한편, Infill Density 및 출력속도는 필라멘트 소비량 즉, 생산 단가와 결부되는 것으로, 출력상태가 최적의 상태로 유지되면서, 필라멘트 소비량이 최소화되는 조건을 살피면,

Infill Density는 30% 이상으로 유지하되, 출력속도 20mm/sec 이하로 유지하고, 노즐온도를 205~210℃로 유지하는 것이 양호한 출력물을 제공하면서 경제적인 출력상태임이 확인되었다.

한편, 본 발명에 적용되는 3D 프린터의 노즐은 금속재로 PLA 필라멘트를 사용함에 있어, 전술한 바와 같이 약 200℃ 내외의 설정온도로 가열된다.

이때, 노즐은 가열에 의해 노즐공의 직경이 팽창되고, 설정된 출력속도에 따라 일정한 압으로 가압하여도, 배출되는 용융상태의 PLA 부재 출력속도가 미세하게 변화된다.

본 발명은 이와 같은 설정된 출력속도와 설정된 출력속도 사이의 오차를 줄이기 위해 서로 다른 열팽창계수를 갖는 보정환이 구비된 노즐이 설치된다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 3D 프린터의 노즐(100)은 노즐 배출공 내측에 원형의 결합홈(110)이 형성되고, 상기 결합홈(110)에는 환형의 보정환(200)이 구비된다.

상기 노즐(100) 및 상기 보정환(200)은 모두 금속재로 구성되나, 각각 서로 다른 열팽창계수를 갖는 부재로 구성된다.

구체적으로, 상기 노즐(100)은 열팽창계수가 낮은 금속으로 구성되고, 상기 보정환(200)은 열팽창계수가 상기 노즐보다 높은 금속으로 구성된다.

바람직하게는 상기 노즐은 철, 크롬, 몰리브덴, 니켈 또는 이들의 합금으로 구성될 수 있고, 상기 보정환은 비교적 열팽창계수가 큰 알루미늄으로 구성될 수 있다.

본 발명에 의한 노즐의 보정원리를 살피면, 상기 노즐(100)이 가열됨에 따라 노즐 구멍의 직경은 다소 확장된다. 이에 반하여 동일한 온도증가에 따라 상기 보정환(200)은 더 많이 확장하기 위하여 내부응력이 크게 발생된다.

그리고 상기 보정환(200)은 외측으로의 확장이 노즐(100)에 의해 구속되므로, 내압에 의해 내측으로 확장되어 보정환(200) 내측 공의 직경이 다소 감소하게 된다.

이에 따라 상기 노즐(100)의 확장된 배출공의 직경과 상기 보정환(200)의 축소된 내측공이 상쇄되어, 온도의 상승에 의해서도 PLA 부재가 배출되는 구멍의 직경은 일정하게 유지되거나 변화 정도를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

본 발명은 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터에 적용되는 PLA(PolyLactic Acid) 소재의 필라멘트 조성물 및 이의 효율적인 압출방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, FDM 방식에 적용되는 필라멘트에 있어, 압출성능 및 고화성능이 확보된 PLA 소재의 필라멘트 조성물을 제공할 수 있는 효과가 있다.

100 : 노즐 110 : 안착홈
200 : 보정환

Claims (3)

1. Polylactic acid 90 내지 94 중량%와;
   N-N Ethylene bis 2 내지 5 중량%와;
   Antioxidant 2 내지 5 중량%; 그리고
   Pigment 2 내지 5 중량%를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트 조성물.
   
2. 필라멘트 형태의 원재료를 압출하는 노즐과;
   상기 노즐을 가열하는 노즐 가열부; 그리고
   가열된 필라멘트를 상기 노즐을 통해 압출하도록 가압력을 발생시키는 가압부를 포함하여 구성되는 3D 프린터를 통해 상기 필라멘트를 압출하는 방법에 있어서,
   상기 필라멘트는,
   Polylactic acid 90 내지 94 중량%와, N-N Ethylene bis 2 내지 5 중량%와, Antioxidant 2 내지 5 중량% 그리고 Pigment 2 내지 5 중량%를 포함하여 구성되며;
   상기 필라멘트는, Infill Density가 30% 내지 100%이고,
   상기 가열부는 상기 노즐의 온도를 205~210℃로 가열하며;
   상기 가압부는 상기 필라멘트의 압출속도를 10 내지 20mm/sec로 설정함을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트 조성물의 압출 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 필라멘트는, Infill Density가 30%이고;
   상기 가열부는 상기 노즐의 온도를 205~210℃로 가열하며;
   상기 가압부는 상기 필라멘트의 압출속도를 20mm/sec로 설정함을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트 조성물의 압출 방법.
   

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