KR20180093730A - Ink composition for three-dimensional printing and method for fabricating three-dimensional construct using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 잉크 조성물에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 3차원 프린팅용 잉크 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to an ink composition, and more particularly, to an ink composition for three-dimensional printing.
3차원(3D, 3-dimension) 프린팅이란, 종이에 글자를 인쇄하는 기존 프린터와 유사한 방식으로, 다만, 보다 특수한 소재의 잉크를 사용하여 입체적인 형상물을 제작하는 것을 말한다. Three-dimensional (3-dimensional) printing refers to the production of three-dimensional objects using ink of a more specific material in a manner similar to conventional printers that print letters on paper.
3차원 프린팅 기술은 다양한 분야에서 그 사용이 점점 확대되고 있는데, 칫솔이나 면도기 등과 같은 가정용 제품에서부터 의료용 인체모형, 자동차, 항공기 부품 등과 같은 중장비 제조산업 분야까지 그 수요는 급속히 증가하고 있다. The demand for 3D printing technology has been rapidly increasing in various fields, from household products such as toothbrushes and razors to heavy machinery manufacturing industries such as medical human models, automobiles, and aircraft parts.
3차원 프린팅 기술은 제작 방식 및 활용 재료에 따라, 크게 선택적 레이저 소결(Selective laser sintering. SLS) 방식 및 용융압출조형(fused deposition modeling, FDM) 방식으로 분류될 수 있는데, 선택적 레이저 소결(Selective laser sintering. SLS)이란 분말을 도포해 굳히는 방식으로 물체를 만드는 것이고 용융압출조형(fused deposition modeling, FDM)은 플라스틱 등의 소재의 필라멘트를 열로 녹여 압출한 후 상온에서 굳혀 물체를 쌓아올리는 것이다.Three-dimensional printing technology can be categorized into selective laser sintering (SLS) and fused deposition modeling (FDM) depending on the manufacturing method and material used. Selective laser sintering (SLS) is an object made by applying powder and hardening. Fused deposition modeling (FDM) is a method of extruding filaments made of plastics materials by heat and then solidifying them at room temperature.
선택적 레이저 소결(Selective laser sintering. SLS) 방식은 미세한 분말을 도포한 후 모형으로 만들 부분에만 레이저를 쏘여 굳히는 것으로 플라스틱에서 금속에 이르기까지 레이저로 소결할 수 있는 소재라면 어느 것이든 활용될 수 있는 점과 상당한 정밀도를 보인다는 장점이 있으나, 선택적 레이저 소결(Selective laser sintering. SLS)용 3차원 프린터의 장비가 매우 고가라는 점에서 고도의 정밀도를 요하는 산업계에서만 주로 쓰인다. Selective laser sintering (SLS) is a technique in which a laser is applied to only the part to be modeled after applying fine powder, and any material that can be sintered by laser from plastic to metal can be utilized But it is mainly used in industries requiring high precision because the equipment of 3D printer for selective laser sintering (SLS) is very expensive.
따라서, 현재 대중적인 3차원 프린팅 기술은 저가 및 접근 용이성 등의 장점을 가진 용융압출조형(fused deposition modeling, FDM) 방식을 의미할 수 있다. 보통 용융압출조형(fused deposition modeling, FDM)은 예를 들어, 폴리젖산(poly lactic acid) 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(acrylonitrile-butadiene-styrene) 등의 고분자 필라멘트를 사용하는데, 상기 고분자들은 열가소성 물질로서 고온의 열을 가했을 시에 점도가 낮아지면서 프린팅이 가능한 상태가 된다. 그러나, 이 열가소성 고분자 물질과 같이 접합하여 사용할 수 있는 이종물질의 선택 제약이 많아 폭 넓은 분야로의 적용이 어렵다는 한계가 있다. 또한, 필라멘트 물질을 프린팅한 후, 냉각시켰을 때 발생하는 수축 문제 때문에 원하는 크기의 형상을 갖기가 어려운 문제점이 있다.Therefore, currently popular three-dimensional printing technology can refer to fused deposition modeling (FDM) method which has merits such as low cost and easy accessibility. Usually fused deposition modeling (FDM) uses polymer filaments such as, for example, poly lactic acid and acrylonitrile-butadiene-styrene, which are thermoplastic When the material is heated at a high temperature, the viscosity becomes low and printing becomes possible. However, there are limitations in that it is difficult to apply the present invention to a wide range of fields because there are many restrictions on selection of a heterogeneous material which can be used by bonding with the thermoplastic polymer material. Further, there is a problem in that it is difficult to obtain a desired size shape due to a shrinkage problem that occurs when the filament material is cooled after being printed.
이러한 문제점들로 인하여, 압출방식의 3차원 프린팅 기술과 이에 적합한 잉크 조성물에 대한 연구가 최근 활발히 이루어지고 있는데, 특히, 압출방식의 3차원 프린팅에 사용될 수 있는 잉크 조성물의 특성 중 점도는 안정적인 토출 성능과 이에 따른 구조체의 구조적 안정성, 성분의 균질성 및 강도 등에 영향을 주는 중요한 요소이다. Due to these problems, extrusion-type three-dimensional printing technology and an ink composition suitable for the three-dimensional printing technology have been recently actively studied. Particularly, the viscosity of the ink composition that can be used for three- And thus the structural stability of the structure, homogeneity and strength of the component.
잉크 조성물이 나타내는 점도는 조성물 내의 용매 또는 바인더에 의하여 좌우되는데, 기존의 3차원 잉크 조성물은 보통 비수계 용매와 유기 바인더를 사용하여 점도의 제어가 쉽지 않은 문제점이 있으며, 특히, 유기 바인더의 경우 그 함량이 적지 않은 비율을 차지하게 되어 잉크 조성물의 점도가 필요 이상으로 높아지게 되는 문제점이 있다. The viscosity of the ink composition depends on the solvent or the binder in the composition. In the conventional three-dimensional ink composition, it is usually difficult to control the viscosity by using a non-aqueous solvent and an organic binder. Particularly, There is a problem that the viscosity of the ink composition becomes higher than necessary.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 세라믹 함량은 높게 유지되면서도 3차원 프린팅에 적용 가능한 점도를 가지는 3차원 프린팅용 잉크 조성물과 이를 이용한 3차원 구조체 제조방법을 제공함에 있다. A third object of the present invention is to provide an ink composition for three-dimensional printing having a viscosity that can be applied to three-dimensional printing while maintaining a high ceramic content, and a method for manufacturing a three-dimensional structure using the same.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 3차원 프린팅용 잉크 조성물을 제공한다. 상기 3차원 프린팅용 잉크 조성물은, 산화물계 세라믹 분말 및 바인더를 포함하는 고형분과 용매를 함유하되, 상기 고형분은 상기 용매 100 중량 대비 80 내지 90 중량부로 함유되는 잉크 조성물로서, 상기 조성물의 점도는 100kMPa·sec 내지 200kMPa·sec를 나타내는 것일 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided an ink composition for three-dimensional printing. The ink composition for three-dimensional printing contains an oil-based ceramic powder and a binder and a solid content thereof, wherein the solid content is 80 to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the solvent. The viscosity of the composition is 100 kPa Sec to 200 kPa · sec.
상기 바인더는 상기 고형분 100 중량 대비 2.5wt% 내지 5wt%로 함유되는 것일 수 있다. 상기 바인더는 셀룰로오스계 바인더 또는 상기 셀룰로오스계 바인더를 포함하는 혼합물일 수 있다. 상기 셀룰로오스계 바인더는 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose)일 수 있다. 상기 혼합물은 상기 셀룰로오스계 바인더 및 고무계 바인더의 혼합물이고, 상기 고무계 바인더는 스티렌 부타디엔 러버(Styrene-butadiene rubber, SBR)일 수 있다. The binder may be contained in an amount of 2.5 wt% to 5 wt% based on 100 wt% of the solid content. The binder may be a cellulose-based binder or a mixture comprising the cellulose-based binder. The cellulose-based binder may be carboxymethyl cellulose. The mixture is a mixture of the cellulose-based binder and the rubber-based binder, and the rubber-based binder may be styrene-butadiene rubber (SBR).
상기 산화물계 세라믹 분말은 금속 산화물계 세라믹 물질이고, 상기 금속 산화물계 세라믹 물질은, 실리콘, 알루미늄, 타이타늄 및 지르코늄으로 이루어지는 금속의 군으로부터 형성되는 각각의 산화물이거나 상기 금속의 군에서 선택되는 둘 이상의 조합으로 형성된 복합 금속의 산화물인 것일 수 있다. 상기 용매는 수계 용매일 수 있다. Wherein the oxide-based ceramic powder is a metal oxide-based ceramic material, and the metal oxide-based ceramic material is an oxide formed from a group of metals consisting of silicon, aluminum, titanium and zirconium or a combination of two or more May be an oxide of a composite metal. The solvent may be aqueous or non-aqueous.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 3차원 구조체 제조방법을 제공한다. 상기 3차원 구조체 제조방법은, 산화물계 세라믹 분말 및 바인더를 포함하는 고형분과 용매를 함유하되, 상기 고형분은 상기 용매 100 중량 대비 80 내지 90 중량부로 함유되는 잉크 조성물로서, 상기 조성물의 점도는 100kMPa·sec 내지 200kMPa·sec를 나타내는 것인, 3차원 프린팅용 잉크 조성물을 준비하는 단계, 상기 잉크 조성물을 기판 상에 프린팅하여 3차원 구조체 형상을 형성하는 단계, 상기 3차원 구조체 형상을 건조하는 단계 및 상기 건조된 3차원 구조체 형상을 소결하여 3차원 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method for fabricating a three-dimensional structure. The method for producing a three-dimensional structure according to the present invention comprises an ink composition comprising a solid content including an oxide-based ceramic powder and a binder and a solvent, wherein the solid content is 80 to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the solvent, sec to 200 kPa · sec, printing the ink composition onto a substrate to form a three-dimensional structure shape, drying the three-dimensional structure shape, and And sintering the dried three-dimensional structure shape to form a three-dimensional structure.
상기 프린팅은 압출방식의 3차원 프린터에 의하여 수행되는 것일 수 있다. 상기 3차원 구조체는 금속 주조용 스캐폴드일 수 있다. 상기 바인더는 상기 고형분 100 중량 대비 2.5wt% 내지 5wt%로 함유되는 것일 수 있다. The printing may be performed by an extrusion type three-dimensional printer. The three-dimensional structure may be a metal casting scaffold. The binder may be contained in an amount of 2.5 wt% to 5 wt% based on 100 wt% of the solid content.
상기 바인더는 셀룰로오스계 바인더 또는 상기 셀룰로오스계 바인더를 포함하는 혼합물일 수 있다. 상기 셀룰로오스계 바인더는 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose)일 수 있다. 상기 혼합물은 상기 셀룰로오스계 바인더 및 고무계 바인더의 혼합물이고, 상기 고무계 바인더는 스티렌 부타디엔 러버(Styrene-butadiene rubber, SBR)일 수 있다. The binder may be a cellulose-based binder or a mixture comprising the cellulose-based binder. The cellulose-based binder may be carboxymethyl cellulose. The mixture is a mixture of the cellulose-based binder and the rubber-based binder, and the rubber-based binder may be styrene-butadiene rubber (SBR).
본 발명에 따르면, 잉크 조성물, 구체적으로 바인더의 조성 및 함량을 조절함으로써, 3차원 프린팅에 적용 가능한 점도를 가지는 3차원 프린팅용 잉크 조성물을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 잉크 조성물은 고강도 특성을 요구하는 금속 주조용 스캐폴드 등의 구조체를 제조하는 데 사용될 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide an ink composition for three-dimensional printing having a viscosity applicable to three-dimensional printing by controlling the ink composition, specifically, the composition and the content of the binder. Therefore, the ink composition can be used to produce a structure such as a metal casting scaffold that requires high strength properties.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명의 실험예들에 따른 잉크 조성물의 점도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제조예에 따른 잉크 조성물의 토출 성능을 나타내는 사진이다.
도 3는 본 발명의 제조예에 따른 잉크 조성물을 사용하여 제조된 구조체의 소결 전, 후를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 제조예에 따른 잉크 조성물을 사용하여 제조된 구조체의 소결전, 후를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 1 is a graph showing the viscosity of an ink composition according to Experimental Examples of the present invention.
2 is a photograph showing the ejection performance of the ink composition according to the production example of the present invention.
FIG. 3 is a photograph showing the structures prepared using the ink composition according to the production example of the present invention before and after sintering.
FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the structure prepared using the ink composition according to the production example of the present invention, before and after sintering.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. Rather, the intention is not to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather, the invention includes all modifications, equivalents and substitutions that are consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.
본 발명에 따른 3차원 프린팅용 잉크 조성물은, 산화물계 세라믹 분말, 바인더 및 용매를 함유하는 혼합물이되, 상기 혼합물 내 상기 세라믹 분말을 포함하는 고형분의 함량은 높게 유지되면서도, 3차원 프린팅에 적합한 점도를 갖는 것일 수 있다. The ink composition for three-dimensional printing according to the present invention is a mixture containing an oxide-based ceramic powder, a binder and a solvent, wherein the content of the solid content including the ceramic powder in the mixture is kept high, Lt; / RTI >
상기 산화물계 세라믹 분말은 소결이 가능하고 내화성을 갖는 세라믹 물질이라면 어느 것이든 가능하나, 구체적으로, 상기 산화물계 세라믹 분말은 금속 산화물계 세라믹 물질의 분말일 수 있다. 예를 들어, 상기 세라믹 물질은 실리콘, 알루미늄, 타이타늄 및 지르코늄으로 이루어진 금속의 군으로부터 형성되는 각각의 산화물이거나, 상기 금속의 군에서 둘 이상의 조합으로 형성된 복합 금속의 산화물일 수도 있다. 예컨대, 상기 세라믹 분말은 실리콘 산화물, 더 구체적으로 실리카(SiO2)이거나, 실리카 및 상기 실리카 이외의 실리콘 산화물들을 포함하는 혼합물 또는 실리콘을 포함하는 복합 금속의 산화물일 수 있다. The oxide-based ceramic powder may be any ceramic material capable of being sintered and refractory. Specifically, the oxide-based ceramic powder may be a powder of a metal oxide-based ceramic material. For example, the ceramic material may be an oxide formed from a group of metals consisting of silicon, aluminum, titanium and zirconium, or an oxide of a composite metal formed of two or more of the groups of metals. For example, the ceramic powder may be a silicon oxide, more specifically silica (SiO 2 ), or a mixture comprising silica and silicon oxides other than the silica, or an oxide of a composite metal comprising silicon.
상기 세라믹 분말의 평균 입도는 수 nm 내지 수백 ㎛, 예를 들어, 10㎛ 내지 100㎛, 예컨대, 10㎛ 내지 30㎛, 일 예로, 10㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 상기 세라믹 분말의 평균 입도는 노즐의 막힘을 방지하면서도 상기 잉크 조성물의 적정 점도를 유지할 수 있는 범위일 수 있다. The average particle size of the ceramic powder may be from several nm to several hundreds of 탆, for example, from 10 탆 to 100 탆, such as from 10 탆 to 30 탆, for example, from 10 탆 to 20 탆. The average particle size of the ceramic powder may be such that the viscosity of the ink composition can be maintained while preventing clogging of the nozzle.
상기 바인더는 수계에서 사용될 수 있는 바인더, 구체적으로 셀룰로오스계 바인더일 수 있으며, 상기 셀룰로오스계 바인더는 상기 셀룰로오스계 바인더를 포함하는 혼합물일 수도 있다. 더 구체적으로, 상기 바인더는 셀룰로오스계 바인더 및 고무계 바인더의 혼합물일 수 있다. The binder may be a binder that can be used in the water system, specifically, a cellulose-based binder, and the cellulose-based binder may be a mixture including the cellulose-based binder. More specifically, the binder may be a mixture of a cellulose-based binder and a rubber-based binder.
예를 들어, 상기 셀룰로오스계 바인더는 메틸셀룰로오스(meyhylcellulose), 아세틸셀룰로오스(acetylcellulose), 히드록시에틸 셀룰로오스(hydroxyethylcellulose), 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose)등일 수 있다. 예를 들어, 상기 고무계 바인더는 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR), 아크릴레이트-스티렌 부타디엔 공중합체 고무(acrylate-co-SBR), 아크릴로나이트릴-스티렌 부타티엔 공중합체 고무(acrylonitrileco-SBR) 등일 수 있다.For example, the cellulose-based binder may be selected from the group consisting of meyhylcellulose, acetylcellulose, hydroxyethylcellulose, carboxymethylcellulose, and the like. For example, the rubber binder may be selected from the group consisting of styrene-butadiene rubber (SBR), acrylate-co-SBR, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber -SBR) and the like.
일 예로서, 상기 바인더는 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose) 및 스티렌 부타디엔 러버(Styrene-butadiene rubber, SBR)의 혼합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose) 및 스티렌 부타디엔 러버(Styrene-butadiene rubber, SBR)는 1:0.1 내지 1:5, 예컨대, 1:1 내지 1:2, 일 예로써, 1:1.5의 중량비율로 혼합될 수 있다. As an example, the binder may be a mixture of carboxymethyl cellulose and styrene-butadiene rubber (SBR). For example, the carboxy methyl cellulose and styrene-butadiene rubber (SBR) may be used in a ratio of 1: 0.1 to 1: 5, such as 1: 1 to 1: 2, 1.5. ≪ / RTI >
상기 용매는 수계 용매, 구체적으로 물일 수 있다. 상기 용매는 수계 조성물, 구체적으로 수계 용매에서 사용될 수 있는 셀룰로오스계 바인더, 더 구체적으로 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose) 및 스티렌 부타디엔 러버(Styrene-butadiene rubber, SBR)의 혼합물인 바인더를 사용할 수 있도록 하여, 기존의 비수계 용매에 사용되는 유기 바인더를 사용하였을 시에 나타났던 인체의 유해성 등의 위험을 줄임으로써 보다 친환경적인 3차원 프린팅 잉크를 제조할 수 있도록 한다. The solvent may be an aqueous solvent, specifically water. The solvent may be a binder which is a mixture of a water-based composition, specifically, a cellulose-based binder that can be used in an aqueous solvent, more specifically, a mixture of carboxymethyl cellulose and styrene-butadiene rubber (SBR) , And it is possible to manufacture a more environmentally friendly three-dimensional printing ink by reducing the risk of harmfulness of the human body when using an organic binder used in a conventional non-aqueous solvent.
상기 조성물 내의 고형분의 함량, 구체적으로, 상기 세라믹 분말 및 상기 바인더의 함량은, 상기 용매 100 중량부 대비 80 내지 90중량부일 수 있다. 즉, 상기 잉크 조성물은 고형분의 함량이 기존의 3차원 프린팅용 잉크에 비하여 높게 유지될 수 있다. The content of the solid content in the composition, specifically, the content of the ceramic powder and the binder may be 80 to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the solvent. That is, the content of the solid content in the ink composition can be kept higher than that of the conventional three-dimensional printing ink.
보다 구체적으로, 상기 고형분 내에서 상기 세라믹 분말 및 상기 바인더의 혼합 비율은 예를 들어, 95 : 5 내지 97.5 : 2.5, 예컨대, 96.5 : 3.5 내지 97.5: 2.5 일 예로써, 97 : 3일 수 있다. 즉, 상기 혼합 비율, 구체적으로 상기 바인더의 비율은, 전술된 범위와 같이 소량 첨가만으로도 상기 조성물의 적정 점도를 유지할 수 있으면서 상기 세라믹 분말의 함량을 높게 유지할 수 있다. 예를 들어, 상기 조성물의 점도(viscosity)는 전단속도(shear rate)가 1s-1 내지 5s- 1 일 때 100kMPa·sec 내지 200kMPa·sec, 예컨대, 100kMPa·sec 내지 150kMPa·sec 일 수 있다. 또한, 상기 점도 범위는 상기 잉크 조성물을 사용하여 구조체를 형성할 시, 후술될 건조 및 소결 과정을 거친 후에도 구조가 잘 유지될 수 있도록 하며, 특히, 소결 후에 발생될 수 있는 구조의 수축 등의 현상을 줄일 수 있다.More specifically, the mixing ratio of the ceramic powder and the binder in the solid content may be, for example, 97: 5 to 97.5: 2.5, for example, 96.5: 3.5 to 97.5: 2.5. That is, the mixing ratio, specifically, the ratio of the binder can maintain the proper viscosity of the composition and can keep the content of the ceramic powder high even if only a small amount is added as in the above-mentioned range. For example, the viscosity of the composition is such that the shear rate is between 1 < RTI ID = 0.0 > 5s - 1 Sec to 200 kPa · sec, for example, 100 kPa · sec to 150 kPa · sec. In addition, the viscosity range allows the structure to be well maintained even after the drying and sintering process described later, when the structure is formed using the ink composition, and more particularly, to a phenomenon such as shrinkage of the structure that may occur after sintering .
상기 잉크 조성물을 기판 상에 프린팅 하여 3차원 구조체 형상을 형성할 수 있다. 상기 프린팅은 3차원 프린터, 일 예로, 압출 방식(extrusion)의 3차원 프린터를 사용하여 수행될 수 있다. 이때, 전술된 점도 범위는 3차원 프린터, 구체적으로는 압출(extrusion)방식의 3차원 프린터에 적합한 점도 범위일 수 있으며, 더 구체적으로, 상기 점도 범위는 상기 조성물이 상기 프린터 내 노즐, 예를 들어 1mm 내지 2mm 크기의 직경을 갖는 노즐을 통과할 때, 너무 묽거나 되지 않는 점성을 갖도록 하여 토출 도중 끊기거나 노즐이 막히는 현상 없이 안정적이고 연속적인 토출이 가능하도록 할 수 있다. The ink composition may be printed on a substrate to form a three-dimensional structure. The printing may be performed using a three-dimensional printer, for example, an extrusion three-dimensional printer. In this case, the viscosity range described above may be a viscosity range suitable for a three-dimensional printer, specifically, an extrusion type three-dimensional printer, and more specifically, the viscosity range may be such that the composition is contained in a nozzle in the printer, It is possible to have a viscosity that does not become too weak when passing through a nozzle having a diameter of 1 mm to 2 mm so that stable and continuous discharge can be performed without interruption during the discharge or clogging of the nozzle.
상기 3차원 구조체 형상을 건조한 후, 소결하여 3차원 구조체를 형성할 수 있다. 이때, 상기 건조에 의하여 상기 용매는 증발될 수 있으며, 상기 소결에 의하여 상기 바인더는 제거될 수 있다. 예컨대, 상기 소결은 공기 분위기, 100℃ 내지 1300℃의 온도 범위에서 열처리하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 건조된 3차원 구조체를 천천히 승온시키다가 약 200℃에 도달하면 상기 구조체 내의 바인더가 변질되기 시작하고, 이후, 300℃ 이상이 되면 상기 바인더 내 수소, 산소 및 탄소는 각각 H2O 증기, O2 및 CO2로 변화되어 외부로 방출된다. 이에 따라, 상기 바인더는 상기 구조체 내에서 완전히 없어지게 되고 상기 구조체에 상기 바인더가 분포되어 있던 자리에는 기공이 생기게 되며, 따라서, 세라믹 성분만이 존재하는 3차원 구조체를 얻을 수 있다. The three-dimensional structure may be dried and then sintered to form a three-dimensional structure. At this time, the solvent may be evaporated by the drying, and the binder may be removed by the sintering. For example, the sintering may be performed by heat treatment in an air atmosphere at a temperature ranging from 100 ° C to 1300 ° C. Specifically, the the train slowly raising the temperature of the drying of the three-dimensional structure is reached approximately 200 ℃ and the binder in the structure begins to deteriorate, since, when the above 300 ℃ hydrogen within the binder, oxygen and carbon is H 2 O, respectively Steam, O 2, and CO 2 , and is released to the outside. As a result, the binder completely disappears in the structure, and pores are formed in the place where the binder is distributed in the structure. Accordingly, a three-dimensional structure having only a ceramic component can be obtained.
다시 말해서, 상기 잉크 조성물은 고형분의 함량, 구체적으로 상기 세라믹 분말의 함량이 높게 유지될 수 있는 잉크 조성물로써, 이에 따라 상기 잉크 조성물을 사용하여 제조된 3차원 구조체는 우수한 고강도 특성을 발휘할 수 있다. 예컨대, 상기 구조체는 금속 주조용 스캐폴드(scaffold)일 수 있다. 예를 들어, 상기 구조체의 강도는 7MPa 내지 10MPa의 범위를 가질 수 있다. In other words, the ink composition is an ink composition in which the solid content, specifically, the content of the ceramic powder can be kept high. Accordingly, the three-dimensional structure produced using the ink composition can exhibit excellent high strength characteristics. For example, the structure may be a scaffold for metal casting. For example, the strength of the structure may range from 7 MPa to 10 MPa.
<제조예><Production Example>
3차원 프린팅용 잉크 조성물 제조Manufacture of ink composition for three-dimensional printing
증류수 27.5g에 SiO2와 ZiSiO4의 혼합물인 세라믹 분말 21.34g을 첨가하고, 바인더인 0.66g의 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose)/스티렌 부타디엔 러버(Styrene-butadiene rubber, SBR)를 혼합한 3차원 프린팅용 잉크를 제조하였다.21.34 g of a ceramic powder as a mixture of SiO 2 and ZiSiO 4 was added to 27.5 g of distilled water and 0.66 g of a carboxyl methyl cellulose / styrene-butadiene rubber (SBR) To prepare an ink for printing.
<실험예><Experimental Example>
바인더의 함량에 따른 잉크 조성물의 점도 비교Viscosity comparison of ink composition according to content of binder
후술되는 변인을 제외하고는 전술된 제조예와 동일한 조성의 잉크 조성물들을 제조한 후, 잉크 조성물의 점도를 비교하였다. 실험군으로 전술된 제조예의 바인더의 함량을 고형분(바인더 + 세라믹 분말) 100 중량 대비 1wt%, 2wt%, 3wt%, 4wt% 및 5wt%로 달리하여 조성물들을 준비하였다. After preparing the ink compositions of the same composition as the above-mentioned production example except for the following variables, the viscosity of the ink composition was compared. The compositions were prepared by varying the contents of the binders of the preparation examples described above to 1 wt%, 2 wt%, 3 wt%, 4 wt% and 5 wt% with respect to 100 wt% of the solid component (binder + ceramic powder).
도 1은 본 발명의 실험예에 따른 잉크 조성물의 점도를 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing the viscosity of an ink composition according to Experimental Example of the present invention.
도 1을 참조하면, 바인더의 함량이 3wt%인 잉크 조성물의 경우, 압출 방식의 3차원 프린팅용 최적 점도인 100kMPa·sec 내지 150 kMPa·sec(@전단속도 1s-1) 를 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, it can be confirmed that the ink composition having a binder content of 3 wt% exhibits an optimum viscosity of 100 k MPa · sec to 150 k MPa · sec (@ shear rate 1 s -1 ) for three-dimensional printing of the extrusion type .
도 2는 본 발명의 제조예에 따른 잉크 조성물의 토출 성능을 나타내는 사진이다.2 is a photograph showing the ejection performance of the ink composition according to the production example of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 잉크 조성물이 안정적이고 연속적인 우수한 토출 성능을 보임을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 2, it can be seen that the ink composition according to the present invention exhibits stable and continuous excellent discharge performance.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제조예에 따른 잉크 조성물을 사용하여 제조된 구조체의 소결 전, 후를 나타낸 사진과 주사전자현미경 이미지이다. FIGS. 3 and 4 are photographs and SEM images of the structure prepared using the ink composition according to the preparation example of the present invention before and after sintering.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 잉크 조성물을 사용하여 제조된 구조체는 소결후에도 구조의 수축 등의 변형 없이 구조적 안정성을 보임을 확인할 수 있다. 3 and 4, it can be seen that the structure prepared using the ink composition according to the present invention exhibits structural stability without any deformation such as shrinkage after sintering.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
Claims (14)
상기 바인더는 상기 고형분 100 중량 대비 2.5wt% 내지 5wt%로 함유되는 것인, 3차원 프린팅용 잉크 조성물. The method according to claim 1,
Wherein the binder is contained in an amount of 2.5 wt% to 5 wt% based on 100 wt% of the solid content.
상기 바인더는 셀룰로오스계 바인더 또는 상기 셀룰로오스계 바인더를 포함하는 혼합물인, 3차원 프린팅용 잉크 조성물.3. The method of claim 2,
Wherein the binder is a mixture comprising a cellulose-based binder or the cellulose-based binder.
상기 셀룰로오스계 바인더는 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose)인 3차원 프린팅용 잉크 조성물.The method of claim 3,
Wherein the cellulose-based binder is a carboxyl methyl cellulose.
상기 혼합물은 상기 셀룰로오스계 바인더 및 고무계 바인더의 혼합물이고, 상기 고무계 바인더는 스티렌 부타디엔 러버(Styrene-butadiene rubber, SBR)인 것인, 3차원 프린팅용 잉크 조성물.5. The method of claim 4,
Wherein the mixture is a mixture of the cellulose-based binder and the rubber-based binder, and the rubber-based binder is styrene-butadiene rubber (SBR).
상기 산화물계 세라믹 분말은 금속 산화물계 세라믹 물질이고,
상기 금속 산화물계 세라믹 물질은, 실리콘, 알루미늄, 타이타늄 및 지르코늄으로 이루어지는 금속의 군으로부터 형성되는 각각의 산화물이거나 상기 금속의 군에서 선택되는 둘 이상의 조합으로 형성된 복합 금속의 산화물인 것인, 3차원 프린팅용 잉크 조성물.The method according to claim 1,
The oxide-based ceramic powder is a metal oxide-based ceramic material,
Wherein the metal oxide based ceramic material is either an oxide formed from a group of metals consisting of silicon, aluminum, titanium and zirconium, or an oxide of a composite metal formed of a combination of two or more selected from the group of metals. / RTI >
상기 용매는 수계 용매인 것인 3차원 프린팅용 잉크 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the solvent is an aqueous solvent.
상기 잉크 조성물을 기판 상에 프린팅하여 3차원 구조체 형상을 형성하는 단계;
상기 3차원 구조체 형상을 건조하는 단계; 및
상기 건조된 3차원 구조체 형상을 소결하여 3차원 구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 3차원 구조체 제조방법. Wherein the solid content of the ink composition is 80 to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the solvent, wherein the viscosity of the composition is in the range of 100 kPa · sec to 200 kPa · sec Preparing an ink composition for three-dimensional printing;
Printing the ink composition onto a substrate to form a three-dimensional structure;
Drying the three-dimensional structure shape; And
And sintering the dried three-dimensional structure shape to form a three-dimensional structure.
상기 프린팅은 압출방식의 3차원 프린터에 의하여 수행되는 것인, 3차원 구조체 제조방법. 9. The method of claim 8,
Wherein the printing is performed by an extrusion type three-dimensional printer.
상기 3차원 구조체는 금속 주조용 스캐폴드인 것인, 3차원 구조체 제조방법.9. The method of claim 8,
Wherein the three-dimensional structure is a metal casting scaffold.
상기 바인더는 상기 고형분 100 중량 대비 2.5wt% 내지 5wt%로 함유되는 것인, 3차원 구조체 제조방법.9. The method of claim 8,
Wherein the binder is contained in an amount of 2.5 wt% to 5 wt% based on 100 wt% of the solid content.
상기 바인더는 셀룰로오스계 바인더 또는 상기 셀룰로오스계 바인더를 포함하는 혼합물인, 3차원 구조체 제조방법.12. The method of claim 11,
Wherein the binder is a mixture comprising a cellulose-based binder or the cellulose-based binder.
상기 셀룰로오스계 바인더는 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose)인, 3차원 구조체 제조방법.13. The method of claim 12,
Wherein the cellulose-based binder is a carboxyl methyl cellulose.
상기 혼합물은 상기 셀룰로오스계 바인더 및 고무계 바인더의 혼합물이고, 상기 고무계 바인더는 스티렌 부타디엔 러버(Styrene-butadiene rubber, SBR)인 것인, 3차원 구조체 제조방법.14. The method of claim 13,
Wherein the mixture is a mixture of the cellulose-based binder and the rubber-based binder, and the rubber-based binder is styrene-butadiene rubber (SBR).
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