KR20170088429A

KR20170088429A - 3차원 프린팅에 의해 고밀화 탄소 물품을 제조하는 공정

Info

Publication number: KR20170088429A
Application number: KR1020177017827A
Authority: KR
Inventors: 제스 엠. 블랙커
Original assignee: 더 엑스원 컴퍼니
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-08-01
Also published as: EP3227109A4; WO2016089618A1; KR102411873B1; US20180001551A1; EP3227109A1; ES2832588T3; EP3227109B1; JP2018502811A; CN107206746A

Abstract

탄소 파우더로 고밀화 탄소 프린팅된 물품을 제조하는 방법이 기재된다. 3차원 바인더 젯 프린팅이 탄소 파우더로 프린팅된 물품을 제조하는 데에 사용된다. 프린팅된 물품이 피치를 가지고 침투되고 그리고 가열되어 피치의 적어도 일부를 흑연화해 준-정형 고밀화 탄소 프린팅된 물품이 제공될 수 있다.

Description

3차원 프린팅에 의해 고밀화 탄소 물품을 제조하는 공정{PROCESS FOR MAKING DENSIFIED CARBON ARTICLES BY THREE DIMENSIONAL PRINTING}

본 발명은 3차원 프린팅에 의해 고밀화 탄소 물품을 제조하는 공정에 관한 것이다.

탄소는 항공우주, 화학, 전력 및 산업의 여러 응용부문에서 사용되는 부재를 제조하는 데에 사용된다. 종래에, 탄소 기반 물품은 큰 덩어리의 탄소를 기계 가공해 원하는 모양으로 만듦으로써 제조되었다. 이러한 절삭 가공의 제조 방법은 탄소 물품 제조에 있어 상당한 양의 재료 손실을 초래한다. 게다가, 절삭 가공의 제조 방법은 탄소 물품 제조에 이용 가능한 기하학적 형상이 제한적이다.

탄소 재료, 예를 들어, 흑연 또는 코크스는 바인더 젯 기술을 이용해 물품을 성형하는 데에 사용하기 매우 어려운 재료이다. 3차원 프린팅에 의한 탄소 물품 제조에 있어서의 발전, 특히 바인더 젯 기술로 준-정형(near net shape) 탄소 물품의 성형을 용이하게 하는 데 있어서의 발전이 요구된다.

본 발명은 피치 침투와 결부된 3차원 바인더 젯 프린팅 공정을 이용해 고밀화 탄소 복합재 물품을 제조하는 방법을 포함한다. 따라서, 본 발명은 탄소 파우더를 제공하는 단계; 탄소 파우더 층을 증착하는 단계; 물품의 슬라이스에 대응하는 패턴으로 층상에 바인더를 잉크-젯 증착하는 단계; 파우더의 추가적인 층들 및 추가적인 패턴들에 대해 이전 두 단계를 반복하는 단계, 각각의 추가적인 패턴들이 물품의 파우더 버전이 완료될 때까지 물품의 추가적인 슬라이스에 대응하는 것을 포함하는 방법을 제시한다. 프린팅된 물품은 석유 피치를 가지고 침투되고, 침투 프린팅된 물품이 가열되어 침투 프린팅된 물품이 탄화 및 또는 흑연화된다.

프린팅된 물품이 피치를 가지고 침투되고 그리고 가열되어 피치의 적어도 일부를 흑연화해 준-정형 고밀화 탄소 프린팅된 물품이 제공될 수 있다.

이 섹션에서, 본 발명의 일부 바람직한 실시예는 해당분야 통상의 기술자가 과도한 실험이 없이 본 발명을 실행하도록 충분히 상세하게 기재되어 있다. 그러나 여기에서 제한된 수의 바람직한 실시예가 기재된다는 사실이 청구항에 기재되는 본 발명의 범위를 제한하는 것이 결코 아님을 이해해야 한다. 값의 범주가 여기에서 또는 청구항에서 기재될 때마다, 범주에는 경계값들 및 그 사이의 모든 값들이 포함되고, 이는 그러한 각각의 그리고 모든 값이 명확하게 기재된 것과 같다. 달리 언급하지 않는 한, 여기에서 그리고 청구항들에서 사용되는 용어 "약"은 일반적인 측정 및/또는 용어 "약"이 한정하는 값과 관련된 가공 한계를 의미하는 것으로 이해해야 한다. 달리 명확하게 언급하지 않는 한, 용어 "실시예"는 본 발명의 일 실시예를 의미하는 것으로 여기에서 사용된다.

기본적인 3DP BJ 공정은 1990년대에 매사추세츠 공과대학에서 개발되었고, 하기의 미국 특허를 포함한 몇몇 미국 특허에 기재되어 있다: 5,490.882 to Sachs et al., 5,490,962 to Cima et al., 5,518,680 to Cima et al., 5,660,621 to Bredt et al., 5,775,402 to Sachs et al., 5,807,437 to Sachs et al., 5,814,161 to Sachs et al., 5,851,465 to Bredt., 5,869,170 to Cima et al., 5,940,674 to Sachs et al., 6,036,777 to Sachs et al., 6,070,973 to Sachs et al., 6,109,332 to Sachs et al., 6,112,804 to Sachs et al., 6,139,574 to Vacanti et al., 6,146,567 to Sachs et al., 6,176,874 to Vacanti et al., 6,197,575 to Griffith et al., 6,280,771 to Monkhouse et al., 6,354,361 to Sachs et al., 6,397,722 to Sachs et al., 6,454,811 to Sherwood et al., 6,471,992 to Yoo et al., 6,508,980 to Sachs et al., 6,514,518 to Monkhouse et al., 6,530,958 to Cima et al., 6,596,224 to Sachs et al., 6,629,559 to Sachs et al., 6,945,638 to Teung et al., 7,077,334 to Sachs et al., 7,250,134 to Sachs et al., 7,276,252 to Payumo et al., 7,300,668 to Pryce et al., 7,815,826 to Serdy et al., 7,820,201 to Pryce et al., 7,875,290 to Payumo et al., 7,931,914 to Pryce et al., 8,088,415 to Wang et al., 8,211,226 to Bredt et al., and 8,465,777 to Wang et al.

본질적으로, 3차원 프린팅은 특정 물품의 층을 전개한 이후 액을 그 층상에 선택적으로 잉크젯 프린팅해 그 특정 층의 선택된 부분들이 함께 바인딩되도록 하는 것을 포함한다. 이러한 일련의 수순이 원하는 파트가 구성될 때까지 추가적인 층들에 대해 반복된다. 그 특정 층을 이루는 재료는 종종 "빌딩 재료" 또는 "빌딩 재료 파우더"라 지칭되며 그 분사된 액은 종종 "바인더", 또는 일부 경우에, "활성제"라 지칭된다. 그 공정 중, 그 바인더와 함께 결합되지 않은 파우더 층들의 부분들은 물품 또는 물품들 주위의 파우더를 지지하는 베드, 즉, "파우더 베드" 또는 "빌딩 베드"를 성형한다.

3차원으로 프린팅된 물품, 즉, 물품의 파우더 버전의 빌딩 이후의 공정은 파트의 강화 및/또는 고밀화를 위해 종종 필요하다. 바인더를 경화하기 위해 파우더 베드에 의해 여전히 서포트되는 동안, 물품의 파우더 버전을 가열하는 것이 공정 후 제1단계, 다음은 물품의 파우더 버전을 파우더 베드로부터 제거하는 것이 제2단계, 그 다음은 물품의 파우더 버전을 열처리해 파우더 버전의 파우더 입자들을 함께 소결하거나 바인더에 변화를 주는 것이 제3단계이다.

탄소 파우더 프린팅

실시예에서, 사용될 3차원 프린팅 기계 가공 및 물품이 파우더 버전을 둘러쌀 파우더 베드의 크기를 고려하여 탄소 파우더는 원하는 물품 또는 물품들의 제조를 위해 충분한 양이 공급된다. 탄소 파우더의 제1층은 수직 인덱서블 플랫폼상에 전개된다. 빌딩될 물품 또는 물품들의 제1층에 대응하는 이미지 또는 패턴이 잉크젯 프린팅 바인더에 의해 이 층상에 전달될 수 있거나, 하나 이상의 추가적인 층들이 제1패턴이 전달되기 이전에 증착될 수 있다. 파우더 층을 증착하는 공정 이후에는 물품 또는 물품들의 추가적인 슬라이스에 대응하는 추가적인 이미지 전달 공정이 물품 또는 물품들의 파우더 버전이 완료될 때까지 계속된다. 여기에서, 물품의 파우더 버전은 간략하게 "프린팅된 물품"이라 종종 지칭된다.

실시예에서 프린팅된 물품에 감당할 만한 강도를 제공하기 위해 바인더는 경화가 필요하고, 경화 공정은 프린팅된 물품상에서 실행된다. 경화 공정이 이용되든 이용되지 않든, 프린팅된 물품은 이후에 파우더 베드로부터 제거되고, 원하지 않게 부착된 또는 캡쳐된 파우더 모두가 제거된다. 그리고 프린팅된 물품은 추가적 열처리를 할 수 있는데 이는 바인더를 경화하거나 프린팅된 물품을 탄화 또는 흑연화하기 위해서이다.

프린팅된 물품의 경화

만약 바인더 경화를 위해 가열단계가 요구되면, 그 가열 단계는 바인더를 경화할 만큼 충분한 온도에서 그리고 충분한 시간 동안 프린팅된 물품을 가열하는 것을 포함한다. 여러 실시예에서, 섭씨 약 160도보다 높은 온도에서 적어도 약 60분 동안 가열하면 종종 여러 유기 폴리머 바인더들을 경화하기에 충분하다. 바인더 경화에 필요한 시간과 온도는 사용되는 특정 바인더의 조성에 따라 다양하고, 해당분야 기술자들이 대체로 잘 알고 있다. 바인더 경화 단계는 비활성, 무-반응 분위기, 예를 들어 아르곤 또는 질소 내에서 실행될 수 있다. 종종 여러 유기 바인더의 경화 온도는 충분히 낮아서 경화 단계는 공기 중에서 프린팅된 물품의 탄소 입자에 심각한 영향을 주지 않고 발생할 수 있다. 일반적으로, 경화 온도가 낮을수록, 물품의 심각한 손상이나 변형이 없이, 감당할 수 있을 만큼 물품이 물리적 성질을 드러내는 정도로, 바인더가 경화되는 데에 필요한 시간은 길어진다. 바인더가 경화된 직후, 그 공정을 통해 경화 프린팅된 물품이 나온다. 전형적으로 경화 프린팅된 물품은 약 중량 5% 미만의 바인더를 포함하고, 약 중량 3% 미만의 바인더가 바람직하다. 일부 실시예에서, 경화 프린팅된 물품은 중량 약 1%에서 약 5%에 이르는 바인더 함량을 가질 수 있다. 준-정형 탄소 프린팅된 물품들을 성형하는 데에 이렇게 소량의 바인더가 사용되어 재료 낭비를 상당히 줄이고, 탄소 물품 제조에 있어 경제성과 효율성이 증진된다. 이는 부피가 큰 모양을 성형하는 데에 상당히 고 함량의 바인더를 사용하고 이후 기계 가공을 해서 원하는 모양으로 만드는 여러 기타 탄소 성형 기술에 비해 발전된 것이다. 특정 실시예에서 경화 프린팅된 물품의 밀도, 즉, 압분체밀도(green density)는 약 0.5 g/cc에서 약 1.2 g/cc에 이를 수 있고, 일부 실시예에서는 약 0.75 g/cc에서 0.9 g/cc에 이를 수 있다.

열처리 단계, 특히 탄화 및/또는 흑연화를 위한 열처리 단계는 조절된 분위기 즉, 본질적으로 공기 또는 산소의 존재를 배제한 분위기에서 실행되는 것이 바람직하다. 탄소의 열처리에 적합한 분위기는 무엇이든 될 수 있으며, 예를 들면, 아르곤, 질소 등이 있다. 일부 실시예에서 분위기는 실질적으로 비활성, 무-반응 분위기일 수 있다. 프린팅된 물품 또는 물품들을 가열하는 동안 프린팅된 물품 또는 물품들의 탄화 또는 흑연화를 위한 수용이 이루어진다.

프린팅된 물품의 탄화

일부 실시예에서 경화 프린팅된 물품의 추가적인 열처리는 경화 프린팅된 물품에서 하나 이상의 재료를 탄화해 탄화 프린팅된 물품을 제조하는 데에 선택적으로 실행될 수 있다. 용어 "탄화"는 열분해 또는 건류에 의한 유기재/물질의 탄소전환 또는 잔여물을 포함하는 탄소로의 전환을 지칭한다. 탄화 단계는 경화 프린팅된 물품을 적어도 약 섭씨 500도, 바람직하게는 적어도 약 섭씨 700도의 온도에서 가열하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 프린팅된 물품을 제조하는 데에 사용되는 탄소 파우더 재료의 조성에 따라서, 탄화 온도는 약 섭씨 500도에서 약 섭씨 900도에 이를 수 있다. 탄화 단계는 비활성 분위기 또는 미미한 양의 공기 또는 산소가 존재하는 분위기에서 실행되는 것이 바람직하다. 탄화에 필요한 시간은 탄화 재료의 조성 및 프린팅된 탄소 물품의 크기와 모양에 따라 다양하다. 여러 실시예에서, 프린팅된 물품을 탄화 온도에서 1시간 내지 2시간 두면 탄화 프린팅된 물품을 제조하는 데에 충분하다. 특정 실시예에서, 탄화 프린팅된 물품의 밀도는 약 0.5 g/cc에서 약 1.2 g/cc에 이를 수 있고, 일부 실시예에서는 약 0.75 g/cc에서 0.9 g/cc에 이를 수 있다.

만약 프린팅된 탄소 물품을 성형하는 데에 사용되는 바인더가 탄화 가능하고, 프린팅 단계에서 사용되는 탄소 파우더가 탄화 가능하거나 이미 탄화되었다면, 탄화 단계에서 준-정형 탄화 프린팅된 물품이 제조될 것이다. 이 분야에서 이는 탄화되어 모양을 갖추는 물품을 성형하기 위해 원하는 탄소 재료 고체 덩어리에서 시작해, 기계 가공하고, 그 재료를 원하는 모양으로 성형하는 종래의 방법에 비해 상당히 발전한 것이다. 이 절삭 가공 방법은 상당한 양의 재료 낭비가 발생하는데 일부에서는 75% 이상의 낭비가 발생하고 특정 기하학적 형상에 제한된다. 탄화 가능한 바인더를 사용하여 탄화 가능하거나 탄화된 탄소 파우더를 가지고 원하는 기하학적 형상을 프린팅한 이후, 그 프린팅된 물품을 탄화함으로써, 실질적인 탄소 재료의 손실이 없이 그리고 사실상 제한 없는 기하학적 구조로 준-정형 탄화 프린팅된 물품이 제조된다.

프린팅된 물품의 흑연화

또한, 프린팅된 탄소 물품은, 상기와 같이, 섭씨 적어도 약 2,500도, 바람직하게는 섭씨 적어도 약 3,000도의 흑연화 온도에서 경화될 수 있고 가열될 수 있다. 흑연화에 필요한 시간은 탄소 파우더 재료 및 프린팅된 탄소 물품의 크기와 모양에 따라 다양할 수 있다. 여러 실시예에서 프린팅된 탄소 물품을 흑연화 온도에서 1시간 내지 2시간 두면 흑연화 프린팅된 물품을 제조하는 데에 충분하다.

흑연화 단계는 비-흑연 탄소 파우더와 바인더를 이용하는 탄소 물품을 프린팅하는 능력을 제공하고 이후, 스타팅 비-흑연 탄소 파우더가 적어도 부분적으로 흑연화될 수 있는 형태라면, 준-정형 흑연화 프린팅된 물품을 직접 제조하도록 프린팅된 물품을 흑연화한다. 마찬가지로, 흑연 또는 흑연 탄소 파우더가 프린팅된 물품 성형에 사용될 수 있고. 이후 준-정형 흑연화 프린팅된 물품을 제조하기 위해 바인더의 흑연화가 따른다. 흑연화 물품을 성형하는 이런 방법들은, 원하는 파트를 제조하기 위해 흑연을 기계 가공하는 데에 의존하는 종래의 흑연화 물품 성형 방법에 비해 상당히 발전한 것이다. 그 절삭 기계 가공 방법은 상당한 양의 흑연 재료가 낭비되고 특정 기하학적 형상에 제한된다. 탄소 파우더를 가지고 원하는 기하학적 형상을 프린팅한 이후, 흑연화해서, 준-정형 흑연화 프린팅된 물품이 흑연 재료의 손실이 거의 없이 제조되고, 사실상 제한 없는 기하학적 구조로 성형될 수 있다. 특정 실시예에서 흑연화 프린팅된 물품의 밀도는 약 0.75 g/cc에서 약 1.1 g/cc에 이른다. 추가적인 실시예에서, 그 흑연화 프린팅된 물품의 밀도는 약 0.9 g/cc에서 약 1.1 g/cc에 이른다.

탄소 파우더의 소결

프린팅된 물품 성형에 사용되는 탄소 파우더에 따라, 전형적으로, 탄소 파우더의 탄소 입자 조성이 상승된 온도에서 탄소 입자의 가열 직후 연화 여부를 결정할 것이다. 종종 전형적으로 탄소 입자는 휘발성 유기 물질을 특정 량 함유한다. 입자가 가열되면 휘발성 유기 물질이 방출되면서 탄소 입자는 연화되기 시작한다. 일반적으로 탄소 파우더에 휘발성 물질의 함량이 많을수록, 탄소 파우더가 가열 직후 연화되는 정도는 커진다. 탄소 입자의 연화로 부근 탄소 입자들이 함께 소결될 수 있다. 흑연화 상태인 또는 흑연화된 탄소 파우더는 흑연화 온도에서 이미 열처리 되어 탄소 입자에 잔존하는 휘발성 유기 물질 이미 상실되거나 실질적으로 감소되었다. 따라서, 흑연화 탄소 파우더로 프린팅된, 프린팅된 물품의 흑연화 탄소 입자는 부근 흑연화 탄소 입자 사이에 현저한 정도로 연화되거나 함께 소결되지 않을 것이다. 예를 들어, 탄소 파우더가 가열 직후 연화되지 않으면, 프린팅된 물품의 가열 직후 부근 탄소 입자가 함께 소결되는 일은 거의 발생하지 않는다. 여러 흑연 또는 흑연화 재료는 흑연화 온도에 노출되는 때에 현저한 정도로 연화되지 않고, 따라서, 흑연화 온도에서 가열한 직후에도 상당히 소결되지 않는다. 역으로, 현저한 양의 휘발성 유기 물질을 가지는 탄소 파우더는 탄화 또는 흑연화 온도에서 가열 직후 연화될 것이고 가열 시 어느 정도까지 함께 소결될 것이다.

탄소 파우더

여기에서 사용되는 바와 같이, "탄소 파우더"의 단수 또는 복수는 천연 흑연, 합성 흑연, 유리 탄소, 무정형 탄소, 석탄, 석유 코크스, 석유 피치 또는 유기물 함량보다 탄소 함량이 높은 기타 유사한 탄소질 파우더의 파우더화된 형태를 지칭한다.

탄소 파우더의 특정 성질은 프린팅된 물품을 프린팅하는 능력에 영향을 미친다. 이런 특성들에는 탄소 파우더의 평균 입자 크기, 입도 분포 및 모양이 포함된다.

평균 입자 크기에 대해, 실시예에서, 파우더의 평균 입자 크기는 약 200미크론 미만 및 약 20미크론보다 크고; 더욱 바람직하게는, 약 20미크론에서 약 150미크론에 이르고; 그리고 일부 실시예에서는 약 20미크론에서 75미크론에 이르는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, 입도 분포는 입자가 약 80%보다 크게 평균 입자 크기의 20% 내의 크기를 보이는 분포를 보이는 것이 바람직하다. 추가적인 실시예에서, 입도 분포는 약 95%의 입자가 평균 입자 크기의 20% 내의 입자 크기를 보이는 가우시안 분포를 따른다. 추가적인 실시예에서, 입도 분포는 d50: 약 75미크론, d10: 45미크론 및 d90: 150미크론을 보일 수 있다. 파우더 분포는 3차원 프린팅 공정에서 사용되는 층의 두께보다 큰 크기를 가지는 입자들이 포함되어서는 안 되고, 더욱 바람직하게는 3차원 프린팅 공정에서 사용되는 층 두께의 2분의 1 이하이다.

또한, 탄소 파우더에서 탄소 입자의 모양은 탄소 물품을 3차원 프린팅하는 데에 중요한 변수이다. 일반적으로, 입자들은 비교적 매끄럽고 비교적 구형인 것이 바람직하다. 전형적으로, 매우 날카로운 모서리를 가지고 일 축선을 따라 매우 긴 입자들은 바람직하지 않다.

바인더

잉크젯 프린팅 단계에서 사용되는 바인더들은 다양한 바인더 재료를 포함한다. 중요한 것은 바인더들이 프린팅 장비에 의해 사용되는 잉크젯 메커니즘에 의해 적용될 수 있어야 한다. 바인더 조성의 물리적 성질은 전형적으로 사용되는 특정 잉크젯 헤드 또는 메커니즘의 물리적 요건을 충족시키기 위해 적합한 용매들 및 계면활성제들을 가지고 조정될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 바인더들은 대체로 두 범주로 분류될 수 있다: 유기 바인더들 및 무기 바인더들. 유기 바인더들은 경화 단계 이후에 남는 바인더의 함량 모두에 실질적으로 탄화 단계에서 탄화되는 재료 부재가 포함되는 바인더들이다. 그 유기 바인더들은 페놀, 퓨란, 전분, 설탕, 폴리비닐피롤리딘 및 기타 유사한 유기 바인더들을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 무기 바인더들은 탄화 온도에서 가열된 직후 탄화되지 않는 재료들을 포함하는 바인더들이다. 그 무기 바인더들은 규산나트륨 및 기타 적합한 무기 바인더들을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 무기 바인더들은, 만약 무기 재료 함량이 거의 중요하지 않거나 전혀 중요하지 않으면, 또는 최종 프린팅된 물품의 의도적인 사용에 부정적인 영향이 크지 않으면, 적합할 수 있다.

선택적으로, 바인더들은 나노 입자 첨가제들을 포함한다. 첨가제와 바인더의 결합은 프린팅 공정 중 바인더와 첨가제를 적용하기 위한 잉크젯 메커니즘에 적합한 성질을 보여야 한다. 바람직하게는, 그 나노 입자 첨가제들은 나노 입자들, 예를 들어, 풀러린, 나노 튜브, 나노 입자 및 나노 입자를 포함하는 기타 유사한 탄소를 함유하는 탄소를 포함할 수 있다. 또한, 피치 재료는 적합한 유기 용매에서 용해될 수 있고, 바인더에서 탄소 접착제로 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 피치는 프린팅 공정에서 탄소 입자들을 함께 바인딩하는 데에 바인더로 사용될 수 있다.

탄소 파우더의 증착

파우더는 종래의 증착 및 전개 메커니즘을 사용해 층으로서 증착될 수 있다. 일부 실시예에서, 파우더를 균일한 층으로 매끄럽게 펴기 위해 상대 회전 롤러와 함께 경사진 풋 부재를 가지는 파우더 디스펜서가 사용될 수 있다. 롤러와 파우더 디스펜서는 파우더 층이 전개되는 영역을 가로질러 롤러와 파우더 디스펜서를 이동시키도록 공통의 캐리지 또는 별도의 캐리지에 의해 서포트될 수 있다.

변수, 예를 들어, 탄소 파우더에서 입자의 크기, 모양, 밀도에 따라, 프린팅하는 동안 사용되는 바인더의 유형과 양에 따라, 프린팅된 물품은 약 0.5 g/cc에서 약 1.2 g/cc에 이르는 프린팅된 밀도, 일부 실시예에서는 약 0.75 g/cc에서 약 0.9 g/cc에 이르는 프린팅된 밀도를 보여줄 수 있다. 추가적인 실시예에서, 프린팅된 물품은 약 0.7 g/cc 보다 크게, 다른 실시예에서는 약 0.9 g/cc보다 크게, 또 다른 실시예에서는 약 1.0 g/cc보다 크게 프린팅된 밀도를 보여준다.

피치 침투

프린팅된 탄소 물품의 밀도를 더욱 증가시키기 위해, 프린팅된 탄소 물품은 피치 침투 단계를 거친다. 프린팅된 탄소 물품은 피치 침투 공정을 감안할 정도의 충분한 강도를 가져야 한다. 피치 침투는 경화 프린팅된 물품, 탄화 프린팅된 물품 또는 흑연화 프린팅된 물품상에 실행된다. 중요한 것은 프린팅된 물품이 어떤 상태이든 피치 침투 공정 중 프린팅된 모양을 실질적으로 보전할 정도의 충분한 강도가 있어야 한다.

일 실시예에서, 프린팅된 탄소 물품에 침투하기 위해 피치 재료가 프린팅된 물품의 개구부 또는 공극으로 들어가고 침투할 수 있도록 피치가 충분히 연화되는 시점까지 가열된다. 피치 연화 온도는 사용되는 특별한 피치 재료에 따라 다양할 수 있고, 해당분야 기술자가 용이하게 결정한다. 전형적으로 여러 피치는 약 섭씨 90도에서 약 섭씨 130도에 이르는 온도에서 연화되기 시작할 것이다. 바람직하게는 프린팅된 물품은 피치 침투 전에 예열되고, 더욱 바람직하게는 프린팅된 물품이 피치 연화 온도에 근접한 온도에서 예열되며, 더더욱 바람직하게는 프린팅된 물품이 피치 연화 온도보다 높은 온도에서 예열된다. 피치 침투는 진공 함침 기술, 압력 침투 기술을 이용해 프린팅된 탄소 물품을 함침함으로써 실행될 수 있거나, 프린팅된 탄소 물품의 열린 공극 내로의 모세관 현상에 의해 실행될 수 있다. 중요한 것은 프린팅된 물품의 강도가 피치 침투 중 프린팅된 물품에 가해지는 강도를 감당할 만큼 충분해야 한다. 적합한 피치 재료는 석유 피치 및 콜타르 피치를 포함한다. 특정 실시예에서, 피치 재료는 약 섭씨 90도에서 약 섭씨 130도에 이르는 온도에서 연화된다.

피치 침투 프린팅된 물품은 상기와 같이 탄화 및/또는 흑연화 온도에서 추가적으로 열처리될 수 있다. 선택적으로, 피치 함침 단계 및 열처리 단계는 요구되면 몇 번 반복될 수 있다. 특정 실시예에서, 피치 침투 단계의 탄소 수율은 약 40%에서 약 70%, 일부 실시예에서는 약 43%에서 68%에 이를 수 있다. 일부 실시예에서 피치 함침 단계 및 열처리 단계는 1회에서 약 20회까지 실행될 수 있다.

상기의 방법을 사용해, 준-정형 탄소 복합재 물품의 다수의 변형품이 구체적인 적용에 따라 제조될 수 있고 맞춤될 수 있다. 스타팅 카본 파우더 및 바인더를 선택해 다양한 정도의 흑연화 탄소 물품이 제조될 수 있다. 예를 들어, 탄소 파우더용 하소 석유 코크스(calcined petroleum coke), 석탄산 바인더와 같은 유기 바인더 및 콜타르 피치를 가지고 피치 침투를 사용하면, 흑연화 온도에서 열처리될 때, 준-정형, 고-흑연화 프린팅된 물품이 제조된다. 이는 고-흑연화 물품 제조에 있어 상당한 재료 낭비를 초래하고 제조 가능한 기학학적 형상이 제한적인 전형적인 방법에 비해 상당히 발전한 것이다.

게다가, 흑연화 코크스 입자를 가지고 프린팅된 탄소 물품의 성형을 시작하면, 경화, 피치 침투 및 최종 흑연화 공정 결과 수축이 최소화되거나 심지어 전혀 없다. 수축이 최소화되는 원인은 프린팅된 물품을 성형하는 흑연화 코크스 입자가 침투 공정 이후에 사용되는 재-흑연화 온도 이상의 온도에서 이미 열에 의해 가열처리되었기 때문이다. 일부 실시예에서, 이러한 수축은 약 3% 미만, 바람직하게는 약 1% 미만 및 더욱 바람직하게는 약 0.5% 미만이다. 이것으로 본래의 프린팅된 탄소 물품의 기하학적 형상에 비해 기하학적 형상의 뒤틀림이나 변화가 거의 없이 준-정형 고밀화 흑연 물품의 제조가 가능해진 결과 어떠한 기계 가공 공정의 필요성이 최소화되거나 제거된다.

다른 실시예에서, 프린팅된 물품은 특히 흑연화 영역 및 비-흑연화 영역을 제공하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 상당하게 흑연화되지 않는 탄소 파우더는 프린팅된 물품을 성형하는 데에 유기 바인더를 함께 사용할 수 있다. 비-흑연화 프린팅된 물품은 이후 콜타르 피치와 같은 흑연화 가능한 피치를 가지고 침투된다. 프린팅된 물품의 제조에 사용된 탄소 파우더는 흑연화 온도에서 가열된 직후 상당하게 흑연화되지는 않는 반면, 함침된 피치는 고-흑연화된 영역을 성형한다. 이렇게 해서, 프린팅된 물품의 프린팅에 있어 도전성 또는 절연성이 높은 경로가 설계될 수 있다.

피치 침투 프린팅된 물품의 밀도는 다양한 변수에 따라 다를 수 있다. 프린팅된 물품의 기하학적 형상 및 설계뿐만 아니라 탄소 재료의 크기 및 밀도에 따라 다를 수 있다. 실시예에서, 피치 침투 프린팅된 물품의 밀도는 약 1.5 g/cc보다 높을 수 있고, 다른 실시예에서, 약 1.7 g/cc보다 높을 수 있고, 또 다른 실시예에서는, 약 2.0 g/cc보다 높을 수 있다. 일부 실시예에서 밀도는 약 1.5 g/cc에서 약 2.2 g/cc에 이를 수 있고, 다른 실시예에서, 밀도는 약 1.7 g/cc에서 약 2.2 g/cc에 이를 수 있고, 또 다른 실시예에서는, 약 1.9에서 약 2.0 g/cc에 이를 수 있다.

비록 본 발명의 몇 실시예만 도시되고 기재되었지만 청구항에서 기재된 바와 같이 본 발명의 요지나 범위를 벗어나지 않고 여러 변화와 수정이 이루어질 수 있음이 해당 분야 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 모든 미국의 특허 및 특허 출원, 모든 외국의 특허 및 특허 출원 및 여기에서 식별되는 모든 기타 문헌은 여기에서 완전하게 기재되듯 법에서 허용하는 완전한 정도까지 여기에서 참고로서 포함된다.

Claims

(a) 탄소 파우더를 제공하는 단계;
(b) 상기 탄소 파우더의 층을 증착하는 단계;
(c) 물품의 슬라이스에 대응하는 패턴으로 상기 층상에 바인더를 잉크젯 증착하는 단계;
(d) 상기 탄소 파우더의 추가적인 층들 및 추가적인 패턴들에 대해 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계를 반복하고, 각각의 상기 추가적인 패턴들이 상기 물품의 파우더 버전이 완료될 때까지 상기 물품의 추가적인 슬라이스에 대응하는 단계;
(e) 상기 바인더의 적어도 일부가 경화되는 온도에서 상기 물품의 상기 파우더 버전을 경화시켜 경화 프린팅된 물품을 제공하는 단계; 및
(f) 피치를 가지고 상기 경화 프린팅된 물품을 침투시켜 침투 프린팅된 물품을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀화 탄소 물품 제조 공정.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소 파우더가 천연 흑연, 합성 흑연, 유리 탄소, 비결정 탄소, 석탄, 석유 코크스, 석유 피치로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 고밀화 탄소 물품 제조 공정.
제 1 항에 있어서,
상기 바인더가 유기 바인더인 것을 특징으로 하는 고밀화 탄소 물품 제조 공정.
제 1 항에 있어서,
상기 파우더가 약 20미크론에서 약 150미크론에 이르는 평균 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 고밀화 탄소 물품 제조 공정.
제 1 항에 있어서,
상기 프린팅된 물품의 밀도가 약 0.5 g/cc에서 약 1.1 g/cc에 이를 수 있는 것을 특징으로 하는 고밀화 탄소 물품 제조 공정.
제 1 항에 있어서,
상기 피치가 석유 피치인 것을 특징으로 하는 고밀화 탄소 물품 제조 공정.
제 1 항에 있어서,
상기 피치가 콜타르 피치인 것을 특징으로 하는 고밀화 탄소 물품 제조 공정.
제 1 항에 있어서,
상기 피치의 적어도 일부를 흑연화할 만큼 충분한 온도에서 상기 침투 프린팅된 물품을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀화 탄소 물품 제조 공정.
제 8 항에 있어서,
상기 침투 프린팅된 물품을 가열하는 단계가 적어도 섭씨 2,500도에서 가열하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀화 탄소 물품 제조 공정.
제 1 항에 있어서,
상기 침투 프린팅된 물품의 밀도가 약 1.5 g/cc에서 약 2.2 g/cc까지 이를 수 있는 것을 특징으로 하는 고밀화 탄소 물품 제조 공정.