KR20180128763A - 3d프린터용 알루미늄합금 분말의 코팅조성물, 및 알루미늄합금 분말의 코팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D프린터의 분야에서 인쇄원료로 사용하는 알루미늄합금 분말의 코팅조성물에 관한 것으로서,
상기 코팅조성물이 0.5∼35wt％의 플럭스 분말과, 0.05∼10wt％의 수용성 접착제, 0.05∼1.0wt％의 소포제와, 및 30∼65wt％의 물(용매)을 포함하고,
상기 3D프린터용 알루미늄합금 분말에 기능성 피막을 형성함으로써, 상기 알루미늄합금 분말의 용융, 응고 시 산화가 방지되어 상기 3D프린터의 운용에 따른 부대비용 및 작업하중이 절감되도록 한 것이다.

Description

3D프린터용 알루미늄합금 분말의 코팅조성물, 및 알루미늄합금 분말의 코팅방법{Coating composite of aluminium alloy powder for 3D printer, and coating method of aluminium alloy powder}

본 발명은 3D프린터의 분야에서 인쇄원료로 사용하는 알루미늄합금 분말에 관한 것으로, 특히 상기 알루미늄합금 분말에 기능성 피막을 형성하여 레이저 용융 및 응고과정에서의 물성저하를 방지할 수 있도록 한 3D프린터용 알루미늄합금 분말의 코팅조성물, 및 알루미늄합금 분말의 코팅방법에 관한 것이다.

일반적으로, 3D프린터(3-dimension printer)는 디지털화된 3차원 도면 데이터를 이용하여 입체적인 물품을 조형하는 프린터로서, 이러한 3D프린터는 입체형태의 인쇄물을 만드는 방식에 따라 2차원의 면을 층층이 적층하는 적층형 및 인쇄물을 절삭하거나 조각하는 절삭형으로 구분할 수 있다.

상기 3D프린터는 크게 PBF 방식(Powder Bed Fusion)과 DED 방식(Directed Energy Deposition)으로 구분할 수 있으며, 상기 PBF 방식은 베드에 올려진 분말층을 레이저 또는 전자빔으로 선택적으로 조사한 후 한층 씩 용융시켜 성형품을 가공하는 방식이고, 상기 DED 방식은 보호가스 분위기에서 분말을 실시간으로 공급하고 레이저로 용융하여 적층해 나가는 방식이다.

상기한 3D프린터는 3차원 모델링를 통해 얻은 데이터를 이용하여 정밀부품을 가공하는 생산업체는 물론, 개인용이나 가정용으로 널리 보급되어 자신만의 독특한 디자인이나 아이디어를 가공하는 단계에 접어들고 있고, 상기 3D프린터의 활용소재로서 금속분말의 이용빈도가 증대되고 있다.

상기 금속분말을 상기 3D 프린터에 적용하기 위해서는, 상기 금속분말을 일정높이로 적층한 후 부분 레이저를 이용하여 용융 및 응고하여 입체적인 형상으로 성형하는 방식이 사용되며, 특히 상기 금속분말로는 크롬탄소강이나 알루미늄합금을 이용하는 방식이 널리 알려져 있다.

상기 크롬탄소강 분말은 고강도 및 내마모성이 우수하지만 융점이 높고 용융 및 냉각시 취성을 가지는 단점이 있고, 상기 알루미늄합금 분말은 융점이 낮고 가벼움은 물론 강도 및 열교환성능이 우수하므로, 상기 3D프린터의 분야의 인쇄원료로서 알루미늄합금 분말이 널리 적용되고 있다.

그런데 상기 3D프린터에 상기 알루미늄합금 분말을 적용하는 경우 적어도 다음과 같은 문제점을 포함한다.

첫째, 상기 알루미늄합금 분말의 레이저 가공이나 용융시에 재산화 및 게재물이 발생할 우려가 있으며, 특히 성형품의 내부피로(stress, strain)에 의해 강도와 같은 물성이 저하되어 원하는 치수를 얻을 수 없다.

둘째, 상기 알루미늄합금 분말의 적층 또는 가공과정에서 산화알루미늄이 조금이라도 잔류하면 상기 분말들의 틈새로 유입되어 공간을 충진하는 공정을 방해하므로 상기 성형품의 불량이 발생할 우려가 있다.

따라서, 상기 3D 프린터에 의해 성형되는 상기 성형품의 내부피로를 최소화하여 치수 정밀도를 향상함은 물론이거니와 용융온도를 낮추어 프린팅 속도 및 고화속도를 빠르게 하는 방식의 연구가 절실한 실정이다.

(특허문헌 1) KR10-2015-0098142 A

(특허문헌 2) KR10-2016-0059724 A

이에, 본 발명은 상기한 각종 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상기 알루미늄합금 분말에 기능성 피막을 형성하여 레이저 용융 및 응고과정에서의 물성저하를 방지할 수 있도록 한 3D프린터용 알루미늄합금 분말의 코팅조성물, 및 알루미늄합금 분말의 코팅방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 코팅조성물은, 3D프린터용 알루미늄합금 분말의 기능성 피막층을 형성하는 3D프린터용 알루미늄합금 분말의 코팅조성물로서, 상기 코팅조성물은 0.5∼35wt％의 플럭스와, 0.05∼10wt％의 수용성 접착제와, 0.05∼1.0wt％의 소포제와, 및 30∼65wt％의 물을 포함한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 코팅방법은, 상기 코팅조성물을 제조하는 제조단계와, 상기 코팅조성물에 알루미늄합금 분말을 함침하는 함침단계, 상기 코팅조성물에 함침된 상기 알루미늄합금 분말을 취출하는 취출단계, 및 취출된 상기 알루미늄합금 분말을 건조하는 건조단계를 포함한다.

이상과 같이, 본 발명은 적어도 다음의 효과를 포함한다.

첫째, 상기 코팅조성물에 의해 상기 알루미늄합금 분말의 외표면에 기능성 피막을 형성함으로써, 상기 알루미늄합금 분말의 용융, 응고 시 산화가 방지되어 상기 3D프린터의 운용에 따른 부대비용 및 작업하중이 절감된다.

둘째, 상기 코팅조성물의 구성요소로서 수용성 접착제와 물을 적용함으로써 상기 코팅조성물을 코팅하는 경우 접착력이 지속적으로 유지됨은 물론 대기오염원을 예방함은 물론 작업장의 작업환경이 개선된다.

셋째, 상기 코팅조성물의 구성요소인 수용성 접착제가 휘발하지 않아 농도 변화가 없으므로, 상기 알루미늄합금 분말의 코팅은 물론 스프레이 분사나 롤링 전사나 디핑이 가능해져 적용범위가 넓어진다.

이하, 본 발명에 따른 코팅조성물을 설명한다.

먼저, 본 발명에 의한 3D프린터용 알루미늄합금 분말의 코팅조성물은 0.5∼35wt％의 플럭스 분말과 0.05∼10wt％의 수용성 접착제와 0.05∼1.0wt％의 소포제 및 30∼65wt％의 물(용매)을 포함한다.

여기서, 상기 알루미늄합금 분말의 주요성분은 알루미늄과 실리콘이며, 그 밖에도 미량의 금속(동, 망간, 철, 마그네슘, 니켈, 아연 등)이 단독으로 또는 복수로 혼합되어 있고, 상기 알루미늄에 대해 상기 실리콘의 조성은 9∼13wt％가 바람직하다.

상기 알루미늄합금을 Al-Si합금으로 한정한 이유는, 상기 코팅조성물의 구성요소인 플럭스 분말과의 접합성을 고려한 것이며, 특히 상기 플럭스 분말이 상기 알루미늄합금에 치밀하게 코팅층을 형성하기 때문에 Al-Si합금의 용융, 응고 시 산화를 최소화할 수 있다.

그리고, 상기 플럭스 분말은 상기 물(용매)의 구성비에 따라 함량비가 달라질 수 있지만 0.5∼35wt％가 바람직하다.

상기 플럭스 분말이 0.5wt％ 미만으로 포함하는 경우 점착성과 코팅효율이 저하되는 단점이 있고, 35wt％ 이상으로 포함하는 경우 잉여물이 과다 생성되므로 0.5∼35wt％의 함량비로 한정하였다.

상기 플럭스 분말로는 불화아연칼륨과 불화실리콘칼륨과 불화알루미늄칼륨을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 불화아연칼륨과 불화알루미늄칼륨 또는 상기 불화아연칼륨과 불화실리콘칼륨을 혼합하여 사용할 수도 있다.

특히, 상기 플럭스 분말로서 불화아연칼륨을 사용하는 경우, 상기 알루미늄합금 분말의 용융, 응고 시 산화를 방지함은 물론 별도의 아연 용사공정을 생략할 수 있어 원가가 절감되는 효과를 제공한다.

그리고, 상기 수용성 접착제는 상기 알루미늄합금 분말의 표면에 상기 플럭스 분말을 접착하는 기능을 수행하며, 상기 플럭스 분말의 구성비에 따라 함량비가 달라질 수 있지만 0.05∼10wt％가 바람직하다.

상기 수용성 접착제가 0.05wt％ 미만으로 포함하는 경우 상기 플럭스 분말의 접착력의 발현이 어렵고, 10wt％ 이상으로 포함하는 경우 상기 코팅조성물의 점도가 높아지거나 코팅막의 흐름성이 저하되어 양질의 코팅막을 제조하기 어려우므로, 0.05∼10wt％의 함량비로 한정하였다.

상기 수용성 접착제로는 수용성 폴리비닐알콜과 수용성 폴리우레탄수지와 수용성 아크릴수지를 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

그리고, 상기 소포제는 상기 알루미늄합금 분말의 코팅과정에서 발생하는 기포를 억제하기 위한 것이며, 상기 플럭스 분말의 구성비에 따라 함량비가 달라질 수 있지만 0.05∼1.0wt％가 바람직하다.

상기 소포제로는 실리콘계 및 비실리콘계 소포제로 구분이 되고, 실리콘유나 옥틸 알콜이나 붕산이 바람직하다.

상기 실리콘계는 가격이 저렴한 장점이 있지만 소포작용의 지속력이 떨어지는 단점이 있고, 상기 비실리콘계는 고가이나 소포작용의 지속력과 사용량에 상관없이 탄화물의 형성이 거의 없는 장점이 있다.

상기 소포제가 0.05 wt% 미만으로 포함하는 경우 상기 알루미늄합금 분말의 코팅공정 후 탄화물이 형성할 우려가 있고, 1.0 wt% 이상으로 포함하는 경우 상기 플럭스 분말의 응집성이 저하될 우려가 있다.

그리고, 상기 용매는 상기 코팅조성물을 구성함에 있어서 상기 플럭스분말과 상기 수용성 접착제를 제외한 나머지의 함량을 차지한다.

상기 코팅조성물의 용매로는 물이나 알콜류 또는 그것들의 혼합물이 사용하여 건조시간을 절약할 수 있지만, 상기 코팅조성물의 코팅작업에 따른 작업환경을 고려하여 물(순수)을 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 코팅조성물에 유기용제를 사용하지 않고 상기 순수를 사용하기 때문에 환경오염의 방지는 물론 작업자의 건강을 해치지 않는다.

특히, 상기 코팅조성물의 구성요소로서, 상기 수용성 접착제와 상기 물을 사용함으로써, 상기 수용성 접착제에 의해 상기 플럭스 분말의 접착력이 유지되고, 상기 플럭스 분말의 코팅과정에서 상기 수용성 접착제가 휘발하지 않아 농도가 변하지 않아 항상 일정한 코팅층을 형성할 수 있다.

한편, 상기 코팅조성물에 미량 부가되는 계면활성제와 중합개시제와 유화제 등에 관한 설명은 생략하기로 한다.

이하, 본 발명에 따른 코팅조성물의 코팅방법을 설명한다.

먼저, 본 발명에 의한 알루미늄합금 분말의 코팅방법은, 상기 코팅조성물과, 상기 코팅조성물에 알루미늄합금 분말을 함침하는 함침단계, 상기 코팅조성물에 함침된 상기 알루미늄합금 분말을 취출하는 취출단계, 및 취출된 상기 알루미늄합금 분말을 250℃ 내지 640℃의 온도범위로 건조하는 건조단계를 포함한다.

본 실시예에서는 상기 코팅조성물에 상기 알루미늄합금 분말을 함침하는 것으로 한정하여 설명하였지만, 그 밖에도 상기 코팅조성물을 스프레이를 통해 분사하거나 도포하거나 디핑할 수도 있다.

즉, 상기 코팅조성물은 상기 용매(물)가 대부분이므로, 상기 코팅조성물을 도포액으로 제조한 후 상기 알루미늄합금 분말에 스프레이 분사나 롤링 전사 또는 디핑이 모두 가능해져 적용범위가 넓어지는 것이다.

그리고, 상기 함침단계는 상기 코팅조성물에 상기 알루미늄합금 분말을 일정시간 동안 유지하는 단계로서, 상기 알루미늄합금 분말의 코팅량 및 코팅효율을 고려하여 10 내지 30분 동안 함침함이 바람직하다.

상기 취출단계는 상기 코팅조성물이 도포된 상기 알루미늄합금 분말을 외부로 인출하여 건조기(미도시)로 이송하는 단계로서, 상기 알루미늄합금 분말의 취출기에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 건조단계는 상기 알루미늄합금 분말의 외표면에 도포된 상기 플럭스 분말을 건조하는 단계로서, 상기 취출단계에서 취출되는 상기 알루미늄합금 분말을 건조기를 통과시키면서 히터를 이용하여 건조한다.

상기 건조기의 온도는 250℃ 내지 640℃의 온도범위로 유지함이 바람직하며, 상기 건조온도가 250℃ 미만인 경우 건조시간이 증대되고, 640℃ 이상인 경우 상기 알루미늄합금 분말이 용해할 우려가 있다.

상기 건조단계에서는 상기 코팅건조물의 수율을 고려하여 불활성 분위기(질소분위기)에서 건조작업을 수행함이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상에 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 변형실시가 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (6)

1. 3D프린터용 알루미늄합금 분말의 기능성 피막층을 형성하는 3D프린터용 알루미늄합금 분말의 코팅조성물로서,
   상기 코팅조성물은;
   0.5∼35wt％의 플럭스 분말과,
   0.05∼10wt％의 수용성 접착제,
   0.05∼1.0wt％의 소포제와, 및
   30∼65wt％의 물을 포함하는 3D프린터용 알루미늄합금분말의 코팅조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄합금 분말은,
   Al-Si합금 분말인 것을 특징으로 하는 3D프린터용 알루미늄합금분말의 코팅조성물.
3. 제 1항에 있어서, 상기 플럭스는,
   불화아연칼륨, 불화실리콘칼륨, 불화알루미늄칼륨 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 3D프린터용 알루미늄합금분말의 코팅조성물.
4. 제 1항에 있어서, 상기 수용성 접착제는,
   수용성 폴리비닐알콜, 수용성 폴리우레탄 수지, 수용성 아크릴 수지 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 3D프린터용 알루미늄합금분말의 코팅조성물.
5. 제 1항에 있어서, 상기 소포제는,
   실리콘유, 옥틸 알콜, 붕산 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 3D프린터용 알루미늄합금분말의 코팅조성물.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 3D프린터용 알루미늄합금 분말의 코팅조성물을 제조하는 제조단계와;
   상기 코팅조성물에 알루미늄합금 분말을 함침하는 함침단계,
   상기 코팅조성물에 함침된 상기 알루미늄합금 분말을 취출하는 취출단계, 및
   취출된 상기 알루미늄합금 분말을 250℃ 내지 640℃의 온도범위로 건조하는 건조단계를 포함하는 알루미늄합금 분말의 코팅방법.