KR20170081388A - 코어-쉘 구조를 갖는 3d 프린터용 기능성 필라멘트 및 그 제조방법 - Google Patents

코어-쉘 구조를 갖는 3d 프린터용 기능성 필라멘트 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 3D 프린터용 기능성 필라멘트는 열가소성 수지로 이루어진 코어; 및 상기 코어를 감싸고, 열가소성 수지로 이루어진 제1쉘을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 프린터용 기능성 필라멘트는 코어와 쉘이 상호보완을 하여 출력물의 유해가스 누출방지 및 수축방지 외에도, 내구성, 유연성, 강성, 물성, 안정성, 출력속도 및 생산성 등을 향상시킬 수 있다.

Description

코어-쉘 구조를 갖는 3D 프린터용 기능성 필라멘트 및 그 제조방법{Functional Filament for 3D Printing with Core-Shell Structure and Its Manufacturing Method}
본 발명은 코어-쉘 구조를 가지는 3D 프린터용 기능성 필라멘트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 3차원의 입체 형상을 가진 모형을 제작하기 위해서는 도면에 의존하여 수작업에 의해 이루어지는 목합 제작방식과 CNC 밀링에 의한 제작방식 등이 있다. 그러나, 목합 제작방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고 많은 시간이 소요되며, CNC 밀링에 의한 제작방식은 정교한 수치제어가 가능하지만 공구간섭에 의하여 가공하기 어려운 형상이 많다. 따라서, 최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 만들어낸 3차원 모델링에서 생성된 데이터를 저장한 컴퓨터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방식이 등장하게 되었다.
3D 프린팅이란 3차원 CAD의 설계데이터와 각종 형태(액상, 파우더 등)의 재료(고분자, 금속 등)를 이용한 적층방식(Layer by Layer)으로 3차원 입체물을 제조하는 방식을 말한다. 3D 프린팅은 다양한 분야로 사용이 확산되고 있어 다수의 부품으로 구성된 자동차 분야, 의료용 인체모형 분야, 칫솔 및 면도기와 같은 가정용 제품 분야 등에서 다양한 모형을 만들기 위한 용도로 많은 제조업체에서 사용하고 있다.
이러한 3D 프린팅은 필라멘트(Filament) 형태의 열가소성 물질을 노즐 안에서 녹여 출력 및 적층하는 FDM(Fused Deposition Modeling)방식, 용융된 광경화성 수지가 담긴 수조 안에 저전력 및 고밀도의 UV 레이저를 투사 후 경화하여 적층하는 SLA(Stereo Lithography Apparatus)방식, 베드에 도포된 파우더(powder)에 선택적으로 레이저를 조사하여 소결한 후 파우더를 도포하는 공정을 반복하여 적층하는 SLS(Selective Laser Sintering)방식, 레이져 광선으로 접착제가 도포되어 있는 종이를 원하는 단면으로 절단하여 한층씩 적층하여 성형하는LOM(Laminated Object Manufacturing)방식 및 잉크젯(Ink-Jet) 프린터 기술을 이용한 BPM(Ballistic Particle Manufacturing)방식 등이 있다. 그 중 FDM방식은 타방식에 비해 출력시간이 짧고, 제조 단가가 저렴하며, 조작이 간단하여 가정용, 공업용 등으로 가장 대중화 되고 있는 추세이다.
FDM 방식의 3D 프린터의 원재료인 필라멘트(Filament)는 열가소성 수지를 가는 실 형태로 가공한 것으로 스풀(Spool)에 감아서 사용하며, 스풀에 감겨져 있는 필라멘트는 피더(Feeder)를 통하여 노즐로 이동 되어지고, 노즐에 주입된 필라멘트는 노즐에서 발생하는 열에 의해 용융되어 노즐 밖으로 분사되어 출력물을 적재하는 배드에 쌓이고, 분사된 용융상태의 필라멘트는 캐리어와 배드의 이동에 의해 이미지를 형성하며 3차원 출력물을 제작한다.
필라멘트 소재로는 폴리유산 수지(PLA:polylacetic acid), 아크릴로니트릴부타디엔스타이렌(ABS:acrylonitrile butadiene styrene), 하이임펙트폴리스타이렌(HIPS:High Impact Polystryene), 폴리아마이드(PA:Polyamide) 및 열가소성 우레탄(TPU:Thermoplastic Urethane) 등이 쓰여지는데 3D 프린터의 출력물은 각 필라멘트 소재의 장점 및 단점을 모두 포함한다. 따라서, 각 소재의 단점을 보완하기 위하여 개선된 다양한 필라멘트들이 개발되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1350993호에서는 PLA의 내열 및 난연 특성을 향상시키기 위해 PLA에 멜라민 수지로 이루어진 멜라민 마이크로캡슐을 첨가하고 있으나, 내열 및 난연 특성은 개선된 반면 멜라민수지 첨가에 의한 수축 등으로 치수안정성이 약화되어 정밀부품제조에는 어려움이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1394119호, 제10-1391293호에서는 출력물에 고무성질을 부여하기 위하여 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE) 또는 올레핀 블록 공중합체를 함유하는 고분자 소재를 이용하여 필라멘트를 제조하는 기술을 개시하고 있다. 하지만 이러한 필라멘트는 제조시 냉각공정의 시간이 길어 생산속도가 느리고 필라멘트 와인딩시 미냉각에 의한 필라멘트 변형이 일어날 수 있어 출력시 문제를 발생 시킬 수 있다.
상기의 각종 기술들에 의한 필라멘트는 이종 고분자의 혼합 또는 공중합 등에 의해 기능성 향상을 가져올 수는 있지만 그에 따른 단점도 함께 나타날 수 밖에 없다. 따라서 전혀 새로운 개념의 필라멘트 개발이 요구된다.
대한민국 등록특허 제10-1350993호(에콜바이오텍 주시회사, 2014.01.07) 대한민국 등록특허 제10-1394119호(화인케미칼 주식회사, 2014.05.07) 대한민국 등록특허 제10-1391293호(화인케미칼 주식회사, 2014.04.25)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 필라멘트의 중심사역할을 하는 코어와 이를 감싸는 쉘을 형성함으로써, 기능성 및 생산성을 향상 시킬 수 있는 3D 프린터용 기능성 필라멘트 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린터용 기능성 필라멘트는 열가소성 수지로 이루어진 코어; 및 상기 코어를 감싸고, 열가소성 수지로 이루어진 제1쉘을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린터용 기능성 필라멘트의 제조방법은 열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 코어(10a) 조성물을 용융혼합하는 단계; 열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 제1쉘(10b) 조성물을 용융혼합하는 단계; 상기 용융혼합된 코어(10a) 조성물 및 제1쉘(10b) 조성물을 공압출기의 제1입구(31a) 및 제2입구(31b)로 주입하며 압력을 가하는 단계; 및 상기 주입 후 압축된 코어(10a) 조성물 및 제1쉘(10b) 조성물을 공압출기의 제1출구(32a) 및 제2출구(32b)로 분사하는 단계;를 포함하고, 상기 공압출기에서 제1입구(31a)는 제1출구(32a)와 반대방향으로 형성되며, 상기 제2출구(32b)는 제1출구(32a)를 감싸는 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터용 기능성 필라멘트는 코어 및 하나 이상의 쉘을 포함함으로써, 출력물의 유해가스 누출방지 및 수축방지 외에도, 내구성, 유연성, 강성, 물성, 안정성, 출력속도 및 생산성 등을 향상시킬 수 있다.
도 1은 코어와 제1쉘을 갖는 3D 프린터용 기능성 필라멘트의 단면도이다.
도 2는 코어와 제1쉘 및 제2쉘을 갖는 3D 프린터용 기능성 필라멘트의 단면도이다.
도 3은 도 1의 3D 프린터용 기능성 필라멘트를 제조하는 압출기 방사구금의 단면도이다.
도 4는 도 2의 3D 프린터용 기능성 필라멘트를 제조하는 압출기 방사구금의 단면도이다.
본 발명에 따른 3D 프린터용 기능성 필라멘트(10)는 중심사 역할을 하는 코어(10a)와 이를 감싸는 쉘(20a)을 포함하며, 이때, 쉘(20a)은 하나 이상 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 3D 프린터용 기능성 필라멘트(10)는 기능성 필라멘트로 후술하기로 한다.
기능성 필라멘트
본 발명에 따른 기능성 필라멘트(10)는 유사한 가공영역을 가지고 서로의 성능을 보완해 줄 수 있는 것으로, 열가소성 수지로 이루어진 코어(10a)와 쉘(20a)의 조합으로 제조하는 것이며, 특별한 제한 없이 당해 분야에 공지된 열가소성 수지 및 첨가제를 사용할 수 있다.
기능성 필라멘트(10)의 종류는 친환경 필라멘트, 물성보완 필라멘트, 출력성 향상 필라멘트 및 생산성 향상 필라멘트 등이 있다.
친환경 필라멘트는 일예로, 비분해성 코어와 생분해성 쉘을 포함하여 생붕괴 효과를 얻을 수 있으며, 석유유래 코어와 식물유래 쉘을 포함하여 탄소저감 효과를 얻을 수 있고, 유해가스 발생 고분자 코어와 유해가스 미발생 고분자 쉘을 포함하여 유해가스 방지 효과를 얻을 수 있다. 물성보완 필라멘트는 내구성이 약한 착색 코어와 내구성이 강한 투명 고분자를 포함하여 변색방지 효과를 얻을 수 있다. 또한, 내구성이 약한 고분자 코어와 내구성이 강한 고분자 쉘을 포함하여 내구성 강화 효과를 얻을 수 있고, 유연고분자 코어와 경질고분자 쉘을 포함하여 유연성 강화 또는 강성 강화 효과를 얻을 수 있다. 출력성 향상 필라멘트의 일예로, 수축률이 높은 열가소성 수지 코어와 수축률이 낮은 열가소성 수지 쉘을 포함하여 수축방지 효과를 얻을 수 있다. 또한, 냉각속도가 빠른 열가소성 수지 코어와 용융 접착성이 강한 열가소성 수지 쉘을 포함하여 층간접착력 강화 효과를 얻을 수 있고, 냉각속도가 느린 열가소성 수지 코어와 냉각속도가 빠른 열가소성 수지 쉘을 포함하여 출력속도향상 효과를 얻을 수 있다. 생산성 향상 필라멘트의 일예로, 냉각속도가 느린 열가소성 수지 코어와 냉각속도가 빠르고 강성이 있는 열가소성 수지 쉘을 포함하여 생산성 향상 효과를 얻을 수 있고, 경질열가소성 수지 코어와 유연열가소성 수지쉘을 포함하여 필라멘트 단사 감소를 통해 수득률 향상 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 필라멘트(10)는 최종 출력물의 사용 목적이나 필요 물성에 따라 코어(10a)와 쉘(20a)을 구성하는 열가소성 수지 종류가 바뀔 수 있으며, 코어(10a)와 쉘(20a) 각 층의 역할도 바뀔 수 있다.
코어
본 발명에 따른 기능성 필라멘트(10)의 코어(10a)는 원기둥 모양으로 가느다란 실 형태일 수 있다.
코어(10a)는 열가소성 수지로 이루어질 수 있다. 열가소성 수지는 폴리유산수지(PLA:polylacetic acid), 아크릴로니트릴부타디엔스타이렌 (ABS:acrylonitrile butadiene styrene), 하이임펙트폴리스타이렌(HIPS:High Impact Polystryene), 폴리아마이드(PA:Polyamide), 열가소성우레탄 (TPU:Thermoplastic Urethane) 폴리비닐알콜(PVA:Polyvinyl Alchohol), 에틸렌비닐아세테이트(EVA:Ethyenevinyl Acetate), 열가소성엘라스토머 (TPE:ThermoPlastic Elastomer), 폴리옥시메틸렌(POM:Polyoxymethylene), 폴리에틸렌텔레프탈레이트글리콜(PETG:PolyEthylene Terephthalate Glycol), 폴리카보네이트(PC:Polycarbonate), 폴리프로필렌(PP:Polypropylene), 폴리에틸렌(PE:PolyEthylene), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET:Polyethylene Terephthalate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 코어(10a)는 기능성 첨가제를 더 포함할 수 있다.
기능성 첨가제는 기능성 필라멘트(10)에 특정 기능을 부여하기 위해 첨가될 수 있다. 상기 기능성 첨가제를 혼합하여 사용하게 됨으로써, 본 발명에 따른 기능성 필라멘트(10)는 내열성, 내구성, 유연성, 산화방지 및 인장강도 등의 특성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 기능성 첨가제는 목분, 금속분말(청동 파우더, 스테인레스 파우더, 철 파우더, 구리 파우더, 알루미늄 파우더), 탄소섬유, 무기물, 가소제, 안료, 변온 방지제, 핵제, 가소제, 열안정제, 광안정제, 광흡수제, 활제, 무기충전재, 산화방지제, 난연제, 필러 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 기능성 첨가제는 특별한 제한 없이 당해 분야에 공지된 기능성 첨가제를 사용할 수 있다.
상기 기능성 첨가제는 열가소성 수지 100중량부에 대하여 0.01 내지 500중량부를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 0.1 내지 400중량부를 포함할 수 있다. 이때, 기능성 첨가제의 함량이 상기 범위일 경우 열가소성 수지 내 분산이 균일하게 되어 혼합이 잘되므로 기능성 필라멘트(10)의 여러 기능성을 향상시킬 수 있다.
쉘
쉘(20a)은 제1쉘(10b) 및 제2쉘(10c)을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면 제1쉘(10b)은 코어(10a)의 기둥 옆면을 감싸며, 원기둥 모양으로 가느다란 실 형태를 할 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 필라멘트(10)는 제2쉘(10c)을 더 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면 제2쉘(10c)은 제1쉘(10b)을 감싸는 형태로 원기둥 모양으로 가느다란 실 형태를 할 수 있다.
제2쉘(10c)은 코어(10a) 및 제1쉘(10b)과 상호보완적인 소재를 선택함으로써, 기능성 필라멘트(10)의 내구성 향상은 물론 원하는 기능을 지닌 기능성 필라멘트(10)를 제조할 수 있다.
이때, 제1쉘(10b)과 제2쉘(10c)은 기능 추가와 물성확보를 위해 기능성 첨가제 또는 물성 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 기능성 첨가제와 물성 첨가제는 코어에서 상술한 바와 같다.
기능성 필라멘트 제조방법
본 발명에 따른 기능성 필라멘트(10) 제조방법은 열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 코어(10a) 조성물을 용융혼합하는 단계; 열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 제1쉘(10b) 조성물을 용융혼합하는 단계; 상기 용융혼합된 코어(10a) 조성물 및 제1쉘(10b) 조성물을 공압출기의 제1입구(31a) 및 제2입구(31b)로 주입하며 압력을 가하는 단계; 및 상기 주입 후 압축된 코어(10a) 조성물 및 제1쉘(10b) 조성물을 공압출기의 제1출구(32a) 및 제2출구(32b)로 분사하는 단계;를 포함하고, 상기 공압출기에서 제1입구(31a)는 제1출구(32a)와 반대방향으로 형성되며, 상기 제2출구(32b)는 제1출구(32a)를 감싸는 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
용융혼합 단계는 코어(10a) 조성물 및 제1쉘(10b) 조성물이 적정 가공온도로 가열된 각각의 베럴을 각각의 스크류에 의해 운송되며 용융혼합될 수 있다.
압력을 가하는 단계는 용융혼합된 코어(10a) 조성물과 제1쉘(10b) 조성물을 용융상태에서의 흐름에 방해되지 않는 온도를 유지한 공압출기의 제1입구(31a)와 제2입구(31b)에 주입한다. 이때, 공압출기의 제2입구(31b)는 역삼각형 모양으로 입구가 넓게 형성되어 용융된 제1쉘(10b)의 조성물의 유입이 용이할 수 있다. 또한, 공압출기의 제1노즐(30a)을 기준으로 제2노즐(30b)을 직각으로 배치하여 용융점이 다른 각각의 조성물의 주입시 서로 영향을 미치는 것을 줄이고 제1쉘(10b)의 조성물이 코어(10a)의 조성물을 균일하게 감쌀 수 있다. 그리고, 공압출기의 제1입구(31a)와 제2입구(31b)에서 제1출구(32a)와 제2출구(32b)로 갈수록 입구가 좁아짐으로써 공압출기의 제1노즐(30a)과 제2노즐(30b)에서 압력을 가해 압축하면서 용융된 조성물 내 가스나 수분을 제거하고 더 조밀한 조직의 기능성 필라멘트(10)를 제조할 수 있다.
분사 단계는 압력을 받은 코어(10a) 조성물과 제1쉘(10b) 조성물을 분사함으로써 원통형태의 코어(10a)와 코어(10a)를 감싸는 제1쉘(10b)을 포함하는 기능성 필라멘트(10)가 제조될 수 있다.
도 2에 도시된 기능성 필라멘트(20)는 도 4에 도시된 바와 같이 제조될 수 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 기능성 필라멘트(20) 제조방법은 열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 코어(10a) 조성물을 용융혼합하는 단계; 열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 제1쉘(10b) 조성물을 용융혼합하는 단계; 열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 제2쉘(10c) 조성물을 용융혼합하는 단계; 상기 용융혼합된 코어(10a) 조성물, 제1쉘(10b) 조성물 및 제2쉘(10c) 조성물을 공압출기의 제1입구(31a), 제2입구(31b) 및 제3입구(31c)로 주입하며 압력을 가하는 단계; 및 상기 주입 후 압축된 코어(10a) 조성물, 제1쉘(10b) 조성물 및 제2쉘(10c) 조성물을 공압출기의 제1출구(32a), 제2출구(32b) 및 제3출구(32c)로 분사하는 단계;를 포함하고, 상기 공압출기에서 제1입구(31a)는 제1출구(32a)와 반대방향으로 형성되며, 상기 제3입구(31c)는 제2입구(31c)와 반대방향으로 위치하며, 상기 제3출구(32c)는 제2출구(32b)를 감싸고, 제2출구(32b)는 제1출구(32a)를 감싸는 형태로 형성되는 것이 특징일 수 있다.
용융혼합단계는 코어(10a) 조성물, 제1쉘(10b) 조성물 및 제2쉘(10c) 조성물이 적정 가공온도로 가열된 각각의 베럴을 각각의 스크류에 의해 운송되며, 용융혼합될 수 있다.
압력을 가하는 단계는 용융혼합된 코어(10a) 조성물, 제1쉘(10b) 조성물 및 제2쉘(10c) 조성물을 용융상태에서 흐름에 방해되지 않는 온도를 유지한 공압출기의 제1입구(31a), 제2입구(31b) 및 제3입구(31c)에 주입한다. 이때, 공압출기의 제2입구(31b) 및 제3입구(31c)는 역삼각형 모양으로 입구가 넓게 형성되어 용융된 제1쉘(10b)과 제2쉘(10c)의 조성물의 유입이 용이할 수 있다. 또한, 공압출기의 제1노즐(30a)을 기준으로 제2노즐(30b)과 제3노즐(30c)을 각각 직각으로 배치하여 용융점이 다른 각각의 조성물의 주입 시 서로 영향을 미치는 것을 줄이고, 제2쉘(10c)의 조성물이 제1쉘(10b)의 조성물을 균일하게 감싸며. 제1쉘(10b)이 코어(10a)를 감싼다. 코어(10a), 제1쉘(10b) 및 제2쉘(10c)의 상호보완 특성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 공압출기의 제1입구(31a), 제2입구(31b) 및 제3입구(31c)에서 제1출구(32a), 제2출구(32b) 및 제3출구(32c)로 갈수록 입구가 좁아짐으로써 공압출기의 제1노즐(30a), 제2노즐(30b) 및 제3노즐(30c)에서 압력을 가해 압축하면서 용융된 조성물 내 가스나 수분을 제거하고 더 조밀한 조직의 기능성 필라멘트(20)를 제조할 수 있다.
분사 단계는 압력을 받은 코어(10a) 조성물과 제1쉘(10b) 조성물 및 제2쉘(10c) 조성물을 분사함으로써 원통형태의 코어(10a)와 코어(10a)를 감싸는 제1쉘(10b) 및 제1쉘(10b)를 감싸는 제2쉘(10c)을 포함하는 기능성 필라멘트(20)가 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 필라멘트(10)는 2대 이상의 압출기(extruder)를 사용하여 각각의 용융된 가열성 수지를 동시에 압출하는 공압출(co-extrusion) 방법으로 제조할 수 있다. 이때, 공압출 방법을 사용함으로써, 기능성 필라멘트(10)의 끊어짐, 깨짐성 및 무게는 줄이고 유연성, 내한성, 내열성, 탄성도, 가공성 및 성형성 등을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
< 실시예 1 내지 9, 비교예 1 내지 18>
도 3의 방사구금을 가진 공압출기를 이용하여 하기 표1에 기재된 조성 및 함량을 갖는 기능성 필라멘트를 제조하였다.
필라멘트
코어(%) 쉘(%)
실시예1 ABS
(80%)		 PLA
(20%)
실시예2 PBS
(70%)		 PLA
(30%)
실시예3 PLA
(70%)		 TPE
(30%)
실시예4 EVA
(70%)		 PLA
(30%)
실시예5 EVA
(80%)		 PLA(90%):Talc(20%)
=(20%)
실시예6 PLA(25%):Bronze powder(75%)
=(90%)		 PLA
(10%)
실시예7 EVA
(80%)		 PLA
(20%)
실시예8 EVA
(90%)		 PLA
(10%)
실시예9 PLA(25%):Bronze powder(75%)=
(90%)		 EVA
(10%)
비교예1 ABS
(100%)		 -
비교예2 ABS(80%):PLA(20%) -
비교예3 PBS
(100%)		 -
비교예4 PBS(70%):PLA(30%) -
비교예5 PLA
(100%)		 -
비교예6 PLA(70%):TPE(30%) -
비교예7 EVA
(100%)		 -
비교예8 EVA(70%):PLA(30%) -
비교예9 EVA
(100%)		 -
비교예10 EVA(70%):PLA(24%):Talc(6%) -
비교예11 PLA(25%):Bronze powder(75%) -
비교예12 PLA(32.5%):Bronze powder(67.5%) -
비교예13 EVA
(100%)		 -
비교예14 EVA(80%):PLA(20%) -
비교예15 EVA
(100%)		 -
비교예16 EVA(90%):PLA(10%) -
비교예17 PLA(25%):Bronze powder(75%) -
비교예18 PLA(22.5%):Bronze powder(67.5%)
:EVA(10%)		 -
(1)유해가스 발생 정도 평가
상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조한 기능성 필라멘트를 이용하여 10m2의 밀폐된 공간에서 FDM 3D 프린터로 가로 5cm, 세로 5cm, 높이 5cm인 출력물을 제조하였다. 출력 시작 후 10분 뒤에 작업공간에서 발생하는 냄새의 강도를 3명의 실험자가 후각으로 관찰하고 냄새의 강도를 숫자의 크기와 비례하게 1 내지 10 범위의 수로 표시하였다. 실험 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
구분
 실험자 1
냄새 강도		 실험자 2
냄새 강도		 실험자 3
냄새 강도		 평균
실시예 1 2 1 2.5 1.8
비교예 1 6 6 7.5 6.5
비교예 2 5 6 6 5.7
상기 표 2에서 보는 바와 같이 ABS 코어와 PLA 쉘을 가진 실시예 1은 냄새 강도 평균값이 1.8로 ABS만 포함하는 비교예 1 및 ABS와 PLA를 용융 혼합한 비교예 2 보다 냄새 강도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.
(2) 경시변화 평가
상기 실시예 2, 비교예 3 및 비교예 4에서 제조한 기능성 필라멘트를 이용하여 FDM 3D 프린터로 가로 2cm, 세로 10cm, 두께 0.1cm의 출력물을 제조하였다. 이를 실외의 동일한 장소에 보관하며, 7일 간격으로 KS M ISO 527 규격에 준용하여 인장강도를 측정하였고 그 변화율을 계산한 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 최초
측정치
(kg/
cm2)		 1차 측정치
(kg/cm2)		 2차 측정치
(kg/cm2)		 3차 측정치
(kg/cm2)		 4차 측정치
(kg/cm2)		 5차 측정치
(kg/cm2)
감소율
(%)		 감소율
(%)		 감소율
(%)		 감소율
(%)		 감소율
(%)
실시예2 553 545 536 524 504 473
-1.45% -1.65% -2.24% -3.82% -6.15%
비교예3 402 392 379 357 324 274
-2.49% -3.32% -5.80% -9.24% -15.43%
비교예4 469 459 447 427 398 357
-2.13% -2.61% -4.47% -6.79% -10.30%
상기 표 3에서 보는 바와 같이 PBS 코어와 PLA 쉘을 가진 실시예 2는 PBS만 포함하는 비교예 3 및 PBS와 PLA의 용융 혼합한 수지를 포함하는 비교예 4에 비해 높은 인장강도를 가지고 있어 인장강도가 줄어드는 속도가 느린 것을 볼 수 있었다.
(3)충격강도 평가
상기 실시예 3, 비교예 5 및 비교예 6에서 제조한 기능성 필라멘트를 이용하여 FDM 3D 프린터로 가로 12.7cm, 세로 1.27cm, 두께 0.32cm의 출력물을 제조하였다. ASTM D256 규격에 준용하여 아이조드 충격 시험을 하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
구분 충격강도(J/m)
실시예 3 101
비교예 5 35
비교예 6 82
상기 표 4에서 보는 바와 같이 PLA 코어와 TPE 쉘을 가진 실시예 3은 PLA만 포함한 비교예 5 및 PLA와 TPE를 용융 혼합한 비교예 6 보다 높은 충격강도를 가지는 것을 확인 할 수 있었다.
(4) 인장강도 평가
상기 실시예 4, 비교예 7 및 비교예 8에서 제조한 기능성 필라멘트를 이용하여 FDM 3D 프린터로 가로 17cm, 세로 1cm, 높이 0.4cm인 출력물을 제조하였다. KS M ISO 527규격에 준용하여 인장강도를 측정하고 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
구분 인장강도(kg/cm2)
실시예 4 352
비교예 7 110
비교예 8 186
상기 표 5에서 보는 바와 같이 EVA 코어와 PLA 쉘을 가진 실시예 4은 EVA만 포함하는 비교예 7 및 EVA와 PLA의 용융 혼합한 비교예 8 보다 인장강도가 높은 것을 확인 할 수 있었다.
(5)수축 정도 평가
상기 실시예 5, 비교예 9 및 비교예 10에서 제조한 기능성 필라멘트를 이용하여 FDM 3D 프린터로 가로 5cm, 세로 5cm, 높이 5cm인 출력물을 제조하여 바닥 네 모서리의 들뜬 높이를 측정하고 그 결과를 하기 표 6에 기입하였다.
구분 모서리1
들뜬 높이
(mm)		 모서리 2
들뜬 높이
(mm)		 모서리 3
들뜬 높이
(mm)		 모서리 4
들뜬 높이
(mm)		 평균
(mm)
실시예5 0 0.3 0.9 0.4 0.4
비교예 9 2 4.2 8.3 5.1 4.9
비교예 10 1 1.9 3.2 2.3 2.1
상기 표 6에서 보는 바와 같이 EVA 코어와 PLA와 탈크를 용융 혼합한 쉘을 가진 실시예 5는 EVA만 포함하는 비교예 9과 EVA, PLA 및 탈크를 용융 혼합한 비교예 10 보다 모서리 들뜸이 적은 것을 알 수 있었다. 이 결과를 통해 실시예 5는 출력물의 제조 후 수축 및 변형이 적은 것을 확인할 수 있었다.
(6)내구성 평가
본 발명에서는 필라멘트의 충격강도를 확인하기 위하여 실시예 6, 비교예 11 및 비교예 12에 따라 제조한 기능성 필라멘트를 이용하여 같은 조건 하에 FDM 3D 프린터로 가로 1cm, 세로 1cm, 높이 10cm인 출력물을 제조하였다. 충격강도측정은 플라스틱 재료의 아이조드 충격실험인 ASTM D256 규격에 준용하여 수행하였으며 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.
구분 충격강도(J/m)
실시예 6 21.3
비교예 11 10.6
비교예 12 13.7
상기 표 7에서 보는 바와 같이 PLA와 Bronze powder를 용융 혼합한 코어와 PLA 쉘을 가진 실시예 6은 PLA와 Bronze powder를 용융 혼합한 비교예 11과 PLA와 Bronze powder를 용융 혼합한 비교예 12 보다 높은 충격강도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
(7) 출력속도 평가
상기 실시예 7, 비교예 13 및 비교예 14에서 제조한 기능성 필라멘트를 이용하여 FDM 3D 프린터로 역경사각 40도의 출력물을 이상 없이 제조할 수 있는 가장 빠른 속도를 측정하여 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다.
구분 출력속도(mm/s)
실시예 7 75
비교예 13 30
비교예 14 35
상기 표 8에서 보는 바와 같이 EVA 코어와 PLA 쉘을 가진 실시예 7은 EVA만 포함하는 비교예 13과 EVA와 PLA를 용융 혼합한 비교예 14 보다 빠른 출력 속도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
(8)제조속도 평가
상기 실시예 8, 비교예 15 및 비교예 16에 따른 두께가 1.75 ± 0.05mm인 기능성 필라멘트를 제조시 가장 빠른 생산속도를 측정하여 그 결과를 하기 표 9에 나타내었다.
구분 제조속도(m/min)
실시예 8 42.8
비교예 15 21.3
비교예 16 24.6
상기 표 9에서 보는 바와 같이 EVA 코어와 PLA 쉘을 가진 실시예 8은 EVA만 포함하는 비교예 15과 EVA와 PLA를 용융 혼합한 비교예 16 보다 제조속도가 빠른 것을 확인 할 수 있었다.
(9)강도 평가
상기 실시예 9, 비교예 17 및 비교예 18에서 제조한 기능성 필라멘트 100m를 감은 동일한 모형의 보빈을 2m 높이에서 낙하시킨 후 단사 수를 측정하고 그 결과를 하기 표 10에 나타내었다.
구분 단사 수(개)
실시예 9 2
비교예 17 8
비교예 18 5
상기 표 10에서 보는 바와 같이 PLA와 Bronze powder를 용융 혼합한 코어와 EVA 쉘을 가진 실시예 9는 보빈에 100m를 감은 후 2m 높이에서 낙하시킨 후 2개가 단사 되었다. 반면에, 쉘없이 PLA와 Bronze powder를 용융 혼합한 코어를 가진 비교예 17는 8개의 단사를 나타내었고, EVA를 더 첨가한 비교예 18는 5개의 단사를 나타내 코어-쉘 구조인 실시예 9의 내구성이 더 우수함을 확인할 수 있었다.
따라서 본 발명에 따른 3D 프린터용 기능성 필라멘트는 코어와 쉘을 출력물의 특성에 맞게 조합하여 제조함으로써, 필라멘트의 유해가스 누출방지, 내구성, 유연성, 강성, 물성, 안정성, 출력속도, 생산성 및 출력물 수축방지 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 3D 프린터용 기능성 필라멘트는 자동차 산업 분야, 의료용 인체모형 분야, 가정용 제품 분야 등에서 다양하게 활용될 수 있다.
10: 필라멘트 단면도 10a: 코어
10b: 제1쉘 10c: 제2쉘
20: 필라멘트 단면도 20a: 쉘(10b, 10c)
30: 압출기의 방사구금 단면도 30a: 제1노즐
30b: 제2노즐 31a: 제1입구
31b: 제2입구 31c: 제3입구
32a: 제1출구 32b: 제2출구
32c: 제3출구 40: 압출기의 방사구금 단면도
40a: 제3노즐

Claims (8)

  1. 열가소성 수지로 이루어진 코어; 및
    상기 코어를 감싸고, 열가소성 수지로 이루어진 제1쉘을 포함하는 3D 프린터용 기능성 필라멘트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3D 프린터용 기능성 필라멘트는 제1쉘을 감싸는 제2쉘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 기능성 필라멘트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는
    폴리유산수지(PLA:polylacetic acid), 아크릴로니트릴부타디엔스타이렌 (ABS:acrylonitrile butadiene styrene), 하이임펙트폴리스타이렌(HIPS:High Impact Polystryene), 폴리아마이드(PA:Polyamide), 열가소성우레탄 (TPU:Thermo plastic Urethane) 폴리비닐알콜(PVA:Polyvinyl Alchohol), 에틸렌비닐아세 테이트(EVA:Ethyenevinyl Acetate), 열가소성엘라스토머(TPE:ThermoPlastic Elastomer), 폴리옥시메틸렌(POM:Polyoxymethylene), 폴리에틸렌텔레프탈레이트 글리콜(PETG:PolyEthylene Terephthalate Glycol), 폴리카보네이트(PC:Polycar bonate), 폴리프로필렌(PP:Polypropylene), 폴리에틸렌(PE:PolyEthylene), 폴리 에틸렌텔레프탈레이트(PET:Polyethylene Terephthalate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 기능성 필라멘트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 기능성 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 기능성 필라멘트.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기능성 첨가제는 목분, 금속분말(청동 파우더, 스테인레스 파우더, 철 파우더, 구리 파우더, 알루미늄 파우더), 탄소섬유, 무기물, 가소제, 안료, 병온 방지제, 핵제, 열안정제, 광안정제, 광흡수제, 활제, 무기충전재, 산화방지제, 난연제, 필러 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 기능성 필라멘트.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기능성 첨가제는 열가소성 수지 100중량부를 기준으로,
    0.01 내지 500중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 기능성 필라멘트.
  7. 열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 코어 조성물을 용융혼합하는 단계;
    열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 제1쉘 조성물을 용융혼합하는 단계;
    상기 용융혼합된 코어 조성물 및 제1쉘 조성물을 공압출기의 제1입구 및 제2입구로 주입하며 압력을 가하는 단계; 및
    상기 주입 후 압축된 코어 조성물 및 제1쉘 조성물을 공압출기의 제1출구 및 제2출구로 분사하는 단계;를 포함하고,
    상기 공압출기에서 제1입구는 제1출구와 반대방향으로 형성되며, 상기 제2출구는 제1출구를 감싸는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 제1항의 3D 프린터용 기능성 필라멘트의 제조방법.
  8. 열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 코어조성물을 용융혼합하는 단계;
    열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 제1쉘 조성물을 용융혼합하는 단계;
    열가소성 수지 및 첨가제로 이루어진 제2쉘 조성물을 용융혼합하는 단계;
    상기 용융혼합된 코어 조성물, 제1쉘 조성물 및 제2쉘 조성물을 공압출기의 제1입구, 제2입구 및 제3입구로 주입하며 압력을 가하는 단계; 및
    상기 주입 후 압축된 코어 조성물, 제1쉘 조성물 및 제2쉘 조성물을 공압출기의 제1출구, 제2출구 및 제3출구로 분사하는 단계;를 포함하고,
    상기 공압출기에서 제1입구는 제1출구와 반대방향으로 형성되며, 상기 제3입구는 제2입구와 반대방향으로 위치하며, 상기 제3출구는 제2출구를 감싸고, 상기 제2출구는 제1출구를 감싸는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 제1항의 3D 프린터용 기능성 필라멘트의 제조방법.
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