KR20180129059A - 3d 프린터용 필라멘트, 이를 구비하는 3d 프린터 및 이에 의해 제조된 제품 - Google Patents

3d 프린터용 필라멘트, 이를 구비하는 3d 프린터 및 이에 의해 제조된 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3D 프린터용 필라멘트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연마 성능을 갖는 제품을 3D 프린팅 방식으로 제조할 수 있는 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 구비하는 3D 프린터에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트는 3D 프린팅 성형물을 제작하기 위해 용융 및 경화시키는 열가소성 수지; 및 상기 열가소성 수지의 내부와 표면에 분산되어 상기 3D 프린팅 성형물에 연마기능을 제공하는 연마입자를 포함하되, 상기 열가소성 수지 20 내지 95 중량%와 상기 연마입자 5 내지 80 중량%가 혼합되어 있으며, 상기 연마입자는 상기 열가소성 수지보다 경도가 더 큰 연마재, 상기 열가소성 수지보다 경도가 더 큰 연마재들이 응집된 복합체, 또는 상기 연마재 및 상기 복합체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 구비한 3D 프린터는 몰드를 제작하는 시간과 비용을 절약하고, 복잡한 3차원 형상의 연마제품을 용이하게 제작 가능하다는 효과가 있다.

Description

3D 프린터용 필라멘트, 이를 구비하는 3D 프린터 및 이에 의해 제조된 제품{A 3D printer filament, a 3D printer with the same, and an article manufactured thereby}
본 발명은 3D 프린터용 필라멘트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연마 성능을 갖는 제품을 3D 프린팅 방식으로 제조할 수 있는 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 구비하는 3D 프린터에 관한 것이다.
연마제품은 연삭(grinding), 랩핑(lapping), 폴리싱(polishing) 등 여러 가지 연마공정에 사용되는데, 이러한 연마제품은 제조의 용이성으로 인해 대부분 몰딩(molding) 방식으로 제조되고 있다. 연마제품의 연마율을 높이기 위해서 연마제품을 구성하는 연마재의 함량이 높아져야 한다. 그러나 몰딩 방식으로 연마제품을 제조할 경우, 연마재의 함량을 증가시키면 고분자 수지와 연마재가 혼합된 연마재 슬러리의 점도가 급격히 증가하여, 몰드로 주입하는 공정 등 필요한 작업들이 대단히 어려워지기 때문에 연마재의 함량을 증가시킴에 있어 한계가 있었다.
또한 몰딩은 동일한 형상의 연마제품을 반복하여 생산하기 위한 제조방법으로 여러 가지 형상의 연마제품을 제조하기 위해서는 각 형상에 대응되는 몰드를 제작하는 데에 많은 시간과 비용이 필요하다는 단점이 있다. 더욱이 곡면, 그물망, 다공성 구조, 기공율 제어 등 복잡한 3차원 형상의 연마제품을 위한 몰드를 제작하는 것은 대단히 어렵다.
또한 몰딩 방식으로 제작된 연마제품은 대부분 대부분 한 종류의 연마재 슬러리로 생산되기 때문에 제품이 전체적으로 한 가지 연마특성을 가지게 된다. 몰딩 방식으로 복수 개의 연마특성을 갖는 연마제품을 만들기 위해서는 각 연마특성에 대응되는 영역별로 연마재 슬러리를 주입하고 경화시키는 과정을 반복해야 하기 때문에 생산성이 저하된다. 예를 들어, 2개의 연마특성을 갖는 연마돌기를 만들기 위해서는 제1 연마특성을 갖는 제1 연마층을 주입하여 경화시킨 후, 다시 제2 연마특성을 갖는 제2 연마층을 다시 주입하고 경화시켜야 한다. 또한 몰딩 방식으로는 복수 개의 연마특성을 갖는 연마제품을 만들 때 각 연마특성을 갖는 영역을 정확하게 제어하기 어렵다는 문제도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연마제품을 구성하는 연마재의 함량을 용이하게 조절할 수 있고, 연마재의 함량을 충분히 증가시켜 연마제품의 연마율을 향상시킬 수 있는 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 구비한 3D 프린터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 몰드를 제작하는 시간과 비용을 절약하고, 복잡한 3차원 형상의 연마제품을 용이하게 제작 가능한 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 구비한 3D 프린터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 복수 개의 연마특성을 갖는 연마제품의 제조공정을 단순화하여 시간을 절약할 수 있고, 연마제품에서 각 연마특성에 상응하는 영역을 정확하게 제어 가능한 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 구비한 3D 프린터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트는 3D 프린팅 성형물을 제작하기 위해 용융 및 경화시키는 열가소성 수지; 및 상기 열가소성 수지의 내부와 표면에 분산되어 상기 3D 프린팅 성형물에 연마기능을 제공하는 연마입자를 포함하되, 상기 열가소성 수지 20 내지 95 중량%와 상기 연마입자 5 내지 80 중량%가 혼합되어 있으며, 상기 연마입자는 상기 열가소성 수지보다 경도가 더 큰 연마재, 상기 열가소성 수지보다 경도가 더 큰 연마재들이 응집된 복합체, 또는 상기 연마재 및 상기 복합체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 구비한 3D 프린터는 연마제품을 구성하는 연마재의 함량을 용이하게 조절할 수 있고, 연마재의 함량을 충분히 증가시켜 연마제품의 연마율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 구비한 3D 프린터는 몰드를 제작하는 시간과 비용을 절약하고, 복잡한 3차원 형상의 연마제품을 용이하게 제작 가능하다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 구비한 3D 프린터는 복수 개의 연마특성을 갖는 연마제품의 제조공정을 단순화하여 시간을 절약할 수 있고, 연마제품에서 각 연마특성에 상응하는 영역을 정확하게 제어 가능하다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 구비한 3D 프린터는 연마제품 내에 기공 형성재가 고르게 분산되어 연마 시 연마특성을 일정하게 유지할 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트 및 이를 구비한 3D 프린터는 피연마체를 연마함과 동시에 연마제품의 컨디셔닝도 가능하다는 효과가 있다.
도 1(a)는 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트의 모식도.
도 1(b)는 도 1(a)의 A-A' 방향 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 복합체 형태로 이루어진 연마입자의 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기공 형성재의 개략도.
도 4(a),(b)는 본 발명에 따른 복수 종류의 필라멘트로 구성되는 3D 프린터용 필라멘트의 예를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 3D 프린터용 필라멘트를 이용하여 제작된 연마제품의 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 3D 프린터용 필라멘트를 이용하여 제작된 연마제품의 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 3D 프린터의 주요 구성을 도시한 개략도.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 참고로 본 발명에서 사용하는 용어 '연마제품'이란 본 발명에서 제시하는 조성의 필라멘트를 이용하여 3D 프린팅 방식으로 제작된 성형물을 지칭한다.
도 1(a)는 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트의 모식도이고, 도 1(b)는 도 1(a)의 A-A' 방향 단면도이다. 또한, 도 2는 본 발명에 따른 복합체 형태로 이루어진 연마입자의 개략도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기공 형성재의 개략도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트(10)는 열가소성 수지(20) 및 연마입자(30)을 포함하고, 바람직하게는 기공 형성재(40)를 더 포함할 수 있다.
열가소성 수지(20)는 가열하면 연화되고 냉각하면 다시 굳어지는 염화비닐이나 나일론과 같은 중합체로서, 대표적인 예로 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl Chloride), 폴리우레탄(Polyurethane), PLA(Poly Lactic Acid), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에스테르(Polyester), 폴리올레핀(Polyolefin), 폴리아미드(Polyamide), 폴리비닐알코올(Poly Vinyl Alcohol), PET(Polyethylene Terephthalate) 등을 들 수 있다. 이 외에도 공지된 다양한 종류의 열가소성 수지가 사용될 수 있으며, 두 종류 이상의 열가소성 수지가 혼합된 형태로 사용될 수도 있다.
연마입자(30)는 열가소성 수지(20)의 내부 및 표면에 고르게 분산되어 이 3D 프린터용 필라멘트(10)를 이용하여 제작된 3D 프린팅 성형물에 연마기능을 제공한다. 연마재가 균일하게 분산되어 있는 3D 프린팅 성형물로 연마하면, 연마공정 시 열가소성 수지(20)가 마모되면서 새로운 연마입자(30)가 계속 제공되기 때문에 3D 프린팅 성형물의 연마작용을 지속적으로 유지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연마입자(30)의 함량은 5 내지 80 중량% 범위로 제한되는데 그 이유는 다음과 같다. 연마입자(30)의 함량이 5 중량% 이하인 3D 프린터용 필라멘트(10)로 3D 프린팅 성형물을 제작하면, 3D 프린팅 성형물을 구성하는 연마입자의 함량이 매우 적어 3D 프린팅 성형물이 연마제품으로서 거의 기능하지 못하게 된다. 반면에 3D 프린터용 필라멘트(10) 내 연마입자(30)의 함량이 80 중량%를 초과하면 3D 프린터용 필라멘트(10)의 형태를 유지하기 위한 열가소성 수지(20)의 함량이 상대적으로 적어져서 3D 프린터용 필라멘트(10)가 작은 충격에도 끊어지기 쉽다. 이러한 3D 프린터용 필라멘트(10)를 롤에 권취하면 3D 프린터용 필라멘트(10)에 균열, 파손, 물리적 절단 등이 발생하여 생산율이 크게 저하된다.
따라서, 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트(10)는 연마입자(30) 5 내지 80 중량% 및 열가소성 수지(20) 20 내지 95 중량%를 포함하는 것이 바람직하고, 3D 프린터용 필라멘트(10)를 보다 안정적으로 사용하기 위해서 3D 프린터용 필라멘트(10)는 연마입자(30) 10 내지 50 중량% 및 열가소성 수지(20) 50 내지 90%로 구성될 수 있다.
연마입자(30)는 연마재(31) 형태, 다수의 연마재(31)가 응집된 복합체(35) 형태, 또는 연마재(31)와 복합체(35)가 혼합된 형태로 구성될 수 있다.
연마재(32)는 열가소성 수지(20)의 경도보다 더 큰 경도를 갖는 물질로써, 산화 알루미늄(Aluminum oxide), 실리카(Silica), 콜로이달 실리카(Coloidal silica), 용융 실리카 (Fused silica), 탄화규소(Silicon carbide), 산화지르코늄(Zirconia), 산화세륨(Cerium oxide), 세라믹 산화알루미늄(Ceramic aluminum oxide), 용융 산화알루미늄(Fused aluminum oxide), 크로미아(Chromia), 산화지르코늄(Zirconium oxide), 산화철(Iron oxide), 탄화붕소(Boron carbide), 산화크롬(Chromium oxide), 가넷(Garnet), 유리분말, 다이아몬드 및 입방정 질화붕소(cBN) 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
복합체(35) 형태의 연마입자(30)는 다수의 연마재(31)가 바인더(32)에 의해 결합된 형태를 말한다. 복합체(35)의 바인더(32)는 도 2와 같이 다수의 연마재를 응집시키는 고분자 수지로 이루어지며, 이러한 고분자 수지(32)는 연마재(31)와의 접합성이 우수한 아크릴계, 페놀계, 에폭시, 우레탄 등의 열경화성 수지가 사용될 수 있다. 유기물인 고분자 수지(32)와 무기물인 연마재(31) 간의 접착력을 높이기 위해 복합체(35) 제조 시 커플링제(Coupling agent)를 미량 첨가할 수 있다.
연마입자(30)는 0.1 내지 900㎛의 입도로 이루어질 수 있는데, 연마입자(30)의 형태 즉, 연마재(31) 형태 또는 복합체(35) 형태에 따라 상기 범위 내에서 차이가 있을 수 있다. 예컨대 연마재(31) 형태의 연마입자(30)는 0.1 내지 300㎛의 입도로 형성되고, 복합체(35) 형태의 연마입자(30)는 10 내지 900㎛의 입도로 형성될 수 있다.
본 발명의 3D 프린터용 필라멘트(10)로 제작된 3D 프린팅 성형물에 기공 형성재(40)가 고르게 분산되도록 3D 프린터용 필라멘트(10)는 열가소성 수지(20) 내에 고르게 분산된 기공 형성재(40)를 더 포함할 수 있다. 기공 형성재(40)는 3D 프린팅 성형물을 이용하여 피연마체를 연마할 때 피연마체와 접촉하는 3D 프린팅 성형물의 표면이 마모되면서 기공 형성재(40)가 노출되고 물에 용해되어 3D 프린팅 성형물의 표면에 다수의 기공 내지 요홈(이하, '기공'으로 통칭함)을 형성해주는 기능을 한다. 특히 기공 형성재(40)는 연마입자(30)와 마찬가지로 열가소성 수지(20)의 전 영역에 걸쳐 고르게 분산되도록 구성되어야 한다. 이는, 연마공정 시 3D 프린팅 성형물의 마모가 진행됨에 따라 새롭게 노출되는 표면에 기공이 지속적으로 형성될 수 있기 때문이다. 기공 형성재(40)에 의해 형성되는 기공은 연마공정 시 연마액을 포집하여 연마제품과 피연마체 사이에 연마액이 장시간 머무르게 하거나, 연마공정 시 발생하는 부수물(찌꺼기)을 포집한 후 피연마체로부터 제거하는 기능을 한다.
일 실시예에 따르면, 기공 형성재(40)는 물에 용해될 수 있는 수용성 물질이며, 수용성 물질은 수용성 무기염 또는 수용성 고분자를 포함한다. 구체적으로, 수용성 무기염은 탄산수소칼륨(KHCO3), 탄산수소나트륨(NaHCO3), 탄산수소암모늄(NH4HCO3), 탄산칼슘(CaCO3), 수산화나트륨(NaOH), 염화칼슘(CaCl2) 및 염화나트륨(NaCl) 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 수용성 고분자는 전분(Starch), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol), 폴리아크릴릭액시드(Polyacrylic acid) 및 폴리아크릴아미드(Polyacrylamide) 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명자는 다수의 실험을 통해, 연마제품의 연마성능을 충분히 보장하기 위한 기공 형성재(40)의 최선의 조건은 다음과 같음을 알 수 있었다. 기공 형성재(40)의 비중은 1.6 ~ 2.5 g/cm3 , 입도는 1 ~ 100 ㎛(더욱 바람직하게는 5 ~ 50㎛), 함량은 연마제품 조성 대비 1 ~ 30 중량%(더욱 바람직하게는 5 ~ 15 중량%)로 형성하는 것이 바람직하다. 또한 기공 형성재(40)에 의해 형성되는 기공이 차지하는 총면적은 연마제품의 마모된 표면 대비 10 ~ 20%인 것이 바람직하다.
또 다른 실시예에 따르면, 기공 형성재(40)는 폴리머 중공구 또는 유리 중공구로 형성될 수 있다. 폴리머 중공구는 수용성 고분자 재질의 내부가 비어 있는 구 형상으로 이루어질 수 있고, 유리 중공구는 유리 재질의 내부가 비어 있는 구 형상으로 이루어질 수 있다. 일례로, 유리 중공구는 글래스 버블(Glass bubbles K20, 3M, USA), 익스판셀(Expancel, 920DET80 d25, AkzoNobel, Netherland) 등이 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 기공 형성재(40)는 도 3과 같이 수용성 고분자(41) 및 컨디셔닝재(42)로 이루어질 수 있다. 수용성 고분자(41)는 물에 용해될 수 있는 물질로서 전술한 바와 동일하다. 컨디셔닝재(42)는 수용성 고분자(41)에 혼합되며 열가소성 수지(20)의 경도와 같거나 더 큰 경도로 이루어져 수용성 고분자(41)가 물에 용해 시 외부로 유출되게 구성된다. 이 경우, 기공 형성재(40)는 수용성 고분자(41)에 의해 컨디셔닝재(42)가 결합된 복합체이며, 열가소성 수지(20)의 표면에 기공을 형성함과 동시에 연마제품과 피연마체 사이에 컨디셔닝재(42)를 공급한다. 보다 구체적으로 설명하면, 연마공정 시 연마제품이 마모될 때 열가소성 수지(20)에 분산되어 있는 다수의 기공 형성재(40)가 순차적으로 노출되어, 수용성 고분자(41)는 물에 용해되고 컨디셔닝재(42)는 바인딩 상태에서 벗어나 연마제품 표면 상으로 방출되어 유동 가능하게 된다. 새로운 컨디셔닝재(42)는 연속하여 제공되기 때문에 지속적인 컨디셔닝 효과를 기대할 수 있다. 컨디셔닝재(42)는 열가소성 수지(20)의 경도 이상의 경도를 갖는 물질로 형성되거나, 전술한 연마재(31)의 종류 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다.
본 발명의 3D 프린터용 필라멘트(10)는 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제는 용도 및 필요에 따라 추가적으로 첨가될 수 있는 성분으로서, 0.1 ~ 10 중량%로 혼합될 수 있다. 대표적으로, 첨가제는 소포제와 분산제를 포함할 수 있다. 소포제를 미량 혼합할 경우, 3D 프린터용 필라멘트(10) 제조 시 불필요한 기포 내지 거품이 발생하는 것을 억제하거나 제거할 수 있고, 이에 따라 3D 프린터용 필라멘트(10)에 의도하지 않은 결함이 발생하는 문제를 방지할 수 있다. 분산제는 연마입자(30) 간에 응집되는 현상을 방지하여 연마입자(30)가 열가소성 수지(20)에 고르게 분산될 수 있도록 작용한다.
첨가제는 pH 조정제, 착화제, 에칭제, 산화제 등의 연마 속도를 더 높이기 위한 첨가제와, 방부제, 곰팡이 방지제 등을 더 포함할 수 있다. pH 조정제는 연마공정 시 사용하는 용액의 pH를 조정하기 위한 것으로 공지된 산, 염기 또는 그들의 염을 포함한다. pH 조정제의 첨가량은 특별히 제한되지 않으며, 3D 프린터용 필라멘트(10)의 pH가 목적하는 pH가 되도록 적절히 조정하면 된다. 산화제는 예컨대 과산화수소, 퍼설페이트 염(예, 암모늄 또는 칼륨 모노퍼설페이트 및 디퍼설페이트), 퍼요오데이트 및 요오데이트 염 및 과요오드산 중 적어도 하나를 포함한다. 방부제 및 곰팡이 방지제는 예컨대 2-메틸-4-이소티아졸린-3-온이나 5-클로로-2-메틸-4-이소티아졸린-3-온 등의 이소티아졸린계 방부제, 파라옥시벤조산에스테르류 및 페녹시에탄올 등으로 구성될 수 있다. 이들 방부제 및 곰팡이 방지제는 단독으로 또는 2종 이상 혼합해서 사용될 수 있다.
전술한 바와 같은 조성을 갖는 3D 프린터용 필라멘트(10)는 다음의 방법으로 제조될 수 있다.
액상의 열가소성 수지(20) 20 내지 95 중량%에 연마입자(30) 5 ~ 80 중량%를 혼합한 혼합액을 제조한다. 여기서 연마입자(30)는 연마재(31), 복합체(35), 또는 연마재(31)와 복합체(35)가 섞인 혼합물 형태로 혼합될 수 있다. 또한, 필요에 따라 기공 형성재(40) 내지 첨가제가 더 혼합될 수 있다.
그 다음 연마입자(30)와 기공 형성재(40)가 열가소성 수지(20)에 고르게 분산되도록 혼합액을 교반하고, 교반 완료 후 또는 교반과 동시에 해당 혼합물을 압출기로 압출하여 3D 프린터용 필라멘트(10)를 제조한다.
여기서, 3D 프린터용 필라멘트(10) 압출 시 이용 가능한 압출기는 단축 압출기(Single-screw extruder) 또는 이축 압출기(Twin-screw extruder)일 수 있으며, 압출기의 스크류 온도는 160 내지 280℃ 범위 내에서 열가소성 수지(20)의 종류에 따라 조절될 수 있다. 여기서 단축 압출기와 이축 압출기는 각각 1개, 2개의 스크류를 구비하는 스크류식 압출기를 의미한다. 압출기는 임계속도 이상으로 구동되어야 하는데, 이는 압출기의 구동속도가 임계속도 미만이면 열가소성 수지(20) 내 연마입자(30)의 분산도가 낮아져 연마제품의 연마성능이 저하될 수 있다. 이를 고려할 때, 압출기의 임계속도는 예컨대 50rpm일 수 있다. 참고로 구동속도는 압출기 내에 구비된 스크류의 회전 속도를 의미한다.
제조된 필라멘트(10)의 평균 직경은 수 mm일 수 이며, 바람직하게는 통상의 3D 프린터용 필라멘트(10)의 직경인 1 ~ 2mm 범위 내로 형성하는 것이 좋다. 압출기에서 배출되는 성형물을 필라멘트 스풀에 권취하면 일정한 굵기를 가지는 3D 프린터용 필라멘트(10)를 수득할 수 있게 된다.
전술한 제조 방법에 따르면, 열가소성 수지(20)의 내부 및 표면에 연마입자(30)와 기공 형성재(40)가 고르게 분산된 3D 프린터용 필라멘트(10)를 제조할 수 있고, 이러한 3D 프린터용 필라멘트(10)를 이용하여 제작된 3D 프린팅 성형물은 뛰어난 연마성능을 가질 수 있다.
도 4(a),(b)는 본 발명에 따른 복수 종류의 필라멘트로 구성되는 3D 프린터용 필라멘트의 예를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 3D 프린터용 필라멘트(10)는 제1 필라멘트(10a)와 제2 필라멘트(10b)를 포함한다. 제1 필라멘트(10a)는 도 1에서 설명한 조성 및 구조를 갖는 필라멘트를 의미하고, 제2 필라멘트(10b)는 제1 필라멘트(10a)와 동일한 조성 및 구조로 이루어지되 제1 필라멘트(10a)를 구성하는 제1 연마입자와 상이한 연마특성을 갖는 제2 연마입자로 이루어진다. 제1 연마입자와 제2 연마입자는 연마재 형태, 복합체 형태 또는 연마재와 복합체가 혼합된 형태로 구성되며, 제1 연마입자와 제2 연마입자는 입도, 경도 또는 함량이 상이하다.
제1 필라멘트(10a)와 제2 필라멘트(10b)는 도 4(a)과 같이 상호 물리적으로 구분되는 별개의 필라멘트로 구비되거나, 또는 도 4(b)와 같이 하나의 연속된 필라멘트 형태로 형성될 수 있다. 하나의 연속된 필라멘트는 길이방향을 따라 제1 필라멘트(10a)와 제2 필라멘트(10b)가 교번하며 이어지는 구조로 형성될 수 있다. 더 나아가, 본 발명의 3D 프린터용 필라멘트는 제3, 제4,... 및 제n 필라멘트를 더 포함할 수 있으며, 상기 경우 각 필라멘트를 구성하는 연마입자는 서로 상이한 입도, 경도 또는 함량을 갖도록 구성된다.
이와 같이 복수 종류의 필라멘트를 이용하여 3D 프린팅 성형물을 제작하면, 영역별로 이종의 연마특성을 갖는 연마제품을 제조할 수 있다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 3D 프린터용 필라멘트를 이용하여 제작된 연마제품의 단면도이다. 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 3D 프린터용 필라멘트를 이용하여 제작된 연마제품의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 기재(52) 상에 다수 개의 연마돌기(51)가 돌출되어 있는 패드 형태의 연마제품을 성형할 수 있다. 연마돌기(51)는 소정 간격으로 이격되어 있고, 열가소성(20) 수지에 연마입자(30)와 기공 형성재(40)가 분산되어 있는 구조로 이루어진다.
도 6을 참조하면, 연마돌기(51)는 제1 연마특성을 갖는 제1 연마층(51a) 및 제1 연마특성과 상이한 제2 연마특성을 갖는 제2 연마층(51b)으로 구성된다. 예를 들어, 연마돌기(51)의 제1 연마층(51a)은 제1 필라멘트(10a)를 이용하여 형성되고, 제2 연마층(51b)은 제1 연마층(51a) 위에 제2 필라멘트(10b)를 이용하여 형성된다. 여기서 연마특성은 각 필라멘트를 구성하는 연마입자(30a,30b)의 입도, 경도 또는 함량에 의해 결정된다. 또한 제1 연마층(51a)의 기공 형성재(40a)와 제2 연마층(51b)의 기공 형성재(40b) 역시 서로 상이한 크기로 이루어질 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 제2 연마층(51b)은 연마율이 높고 표면조도가 낮은 연마특성을 갖도록 구성되고, 제1 연마층(51a)은 상대적으로 연마율은 낮으나 표면조도는 높은 연마특성을 갖도록 구성되어, 하나의 연마제품(50)으로 뛰어난 연마율과 우수한 표면조도를 동시에 구현할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 3D 프린터의 주요구성을 도시한 개략도이다. 본 발명의 3D 프린터용 필라멘트(10)를 이용하는 3D 프린터(100)는 3D 프린터용 필라멘트(10), 3D 프린터용 필라멘트(10)를 이송하는 익스트루더, 익스트루더에 의해 이송되는 3D 프린터용 필라멘트(10)를 가열하는 히팅 블록(140) 및 히팅 블록(140)에 의해 유동화된 3D 프린터용 필라멘트(10)를 분사하는 노즐(150)을 포함한다.
3D 프린터용 필라멘트(10)는 도 1 내지 도 4에서 설명한 조성 및 구조를 갖는 성형물로서 단일 또는 복수 종류의 필라멘트로 구성된다.
익스트루더는 3D 프린터용 필라멘트(10)를 압출 방식으로 공급하는 기구로서, 익스트루더가 작동을 개시하면 필라멘트 스풀에 감겨있는 3D 프린터용 필라멘트(10)가 권출되며 히팅 블록(140) 측으로 강제 이송된다.
일 실시예로서, 익스트루더는 피딩 기어(120), 가이드 베어링(130) 및 구동부(미도시)를 포함할 수 있다. 피딩 기어(120)는 유입되는 3D 프린터용 필라멘트(10)를 히팅 블록(140) 측으로 강제 이송하는 구성이다. 피딩 기어(120)는 3D 프린터용 필라멘트(10)에 접촉된 상태에서 축회전 구동하며 3D 프린터용 필라멘트(10)를 압출 방식으로 공급하도록 구성된다. 구체적으로, 피딩 기어(120)는 가이드 베어링(130)이 3D 프린터용 필라멘트(10)에 접촉하여 해당 3D 프린터용 필라멘트(10)를 피딩 기어(120) 측으로 가압할 때 증가되는 마찰력에 의해 3D 프린터용 필라멘트(10)를 일 방향으로 밀어 내리는 구성이다. 3D 프린터용 필라멘트(10)를 강제 이송하기 위한 피딩 기어(120)의 축회전 동작은 구동부에 의해 그 동작이 구동 및 제어된다. 구동부는 전동 모터 및 전동 모터에 연결된 동력축을 포함할 수 있다.
히팅 블록(140)은 익스트루더에 의해 노즐(150) 측으로 이송되는 고체 필라멘트(10)를 가열하여 유동화된 상태로 만들기 위한 가열기이다. 히팅 블록(140)은 고체 필라멘트(10)를 용융하여 액상화할 수 있는 형태라면 특별히 한정하지 않고 다양하게 적용 가능하다. 예컨대 코일 형태의 히터가 사용될 수 있다.
노즐(150)은 히팅 블록(140)에 의해 용융된 필라멘트(10)를 익스트루더 외부로 사출하기 위한 구성이다. 따라서 노즐(150)은 히팅 블록(140) 내부와 연통되며 히팅 블록(140) 하측에 구비되거나, 히팅 블록(140)이 노즐(150)의 상부를 감싸는 구조로 형성되어 히팅 블록(140)과 노즐(150)이 일체화 내지 통합된 형태로 구성할 수도 있다.
노즐(150)은 하나의 분사구를 갖는 단일 노즐로 구성되거나 또는 복수 개의 분사구를 갖는 멀티 노즐로 구성될 수 있다. 멀티 노즐은 도 4(a)와 같이 상호 별개로 구비되는 복수 개의 필라멘트(10a,10b)를 사용할 경우 채용될 수 있다. 예를 들어, 제1 필라멘트(10a) 용융액을 사출하는 제1 노즐과 제2 필라멘트(10b) 용융액을 사출하는 제2 노즐을 포함하는 멀티 노즐로 구성된다.
전술한 바와 같은 3D 프린터(100)는 열가소성 수지(20)의 내부 및 표면에 연마입자(30)와 기공 형성재(40)가 고르게 분산된 연마성능이 뛰어난 연마제품(50)을 제조할 수 있고, 더 나아가 곡면, 그물망, 다공성 구조, 기공율 제어 등 복잡한 3차원 형상의 연마제품(50)도 자유롭게 성형하는 것이 가능하며, 영역별로 복수 개의 연마특성을 갖는 연마제품(50)도 용이하게 제작할 수 있다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
10: 필라멘트 20: 열가소성 수지
30: 연마입자 31: 연마재
35: 복합체 40: 기공 형성재
41: 수용성 고분자 42: 컨디셔닝재
50: 3D 프린팅 성형물 51: 연마돌기
51a: 제1 연마층 51b: 제2 연마층
100: 3D 프린터 120: 피딩 기어
130: 가이드 베어링 140: 히팅 블록
150: 노즐

Claims (10)

  1. 3D 프린팅 성형물을 제작하기 위해 용융 및 경화시키는 열가소성 수지; 및
    상기 열가소성 수지의 내부와 표면에 분산되어 상기 3D 프린팅 성형물에 연마기능을 제공하는 연마입자를 포함하되,
    상기 열가소성 수지 20 내지 95 중량%와 상기 연마입자 5 내지 80 중량%가 혼합되어 있으며,
    상기 연마입자는 상기 열가소성 수지보다 경도가 더 큰 연마재, 상기 열가소성 수지보다 경도가 더 큰 연마재들이 응집된 복합체, 또는 상기 연마재 및 상기 복합체를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
  2. 제1 연마특성을 갖는 3D 프린팅 성형물을 제작하기 위한 제1 필라멘트; 및
    제2 연마특성을 갖는 3D 프린팅 성형물을 제작하기 위한 제2 필라멘트를 포함하되,
    상기 제1 필라멘트는 열가소성 수지 20 내지 95 중량% 및 제1 연마특성과 연관된 제1 연마입자 5 내지 80 중량%를 포함하고,
    상기 제2 필라멘트는 열가소성 수지 20 내지 95 중량% 및 상기 제1 연마특성과 상이한 제2 연마특성과 연관된 제2 연마입자 5 내지 80 중량%를 포함하며,
    상기 제1 연마입자 및 상기 제2 연마입자는 입도, 경도 또는 함량이 상이한 것
    을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지에 고르게 분산된 기공 형성재를 더 포함하되,
    상기 3D 프린팅 성형물을 이용하여 피연마체를 연마할 때, 상기 피연마체와 접촉하는 상기 3D 프린팅 성형물의 표면이 마모되면서 상기 기공 형성재가 노출되고 물에 용해되어 상기 3D 프린팅 성형물의 표면에 기공이 연속적으로 형성되는 것
    을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기공 형성재는 수용성 무기염, 수용성 고분자, 폴리머 중공구 및 유리 중공구 중에서 선택된 적어도 하나인 것
    을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 기공 형성재는 수용성 고분자 및 상기 수용성 고분자에 혼합되는 컨디셔닝재를 포함하되,
    상기 컨디셔닝재는 상기 열가소성 수지의 경도와 같거나 더 큰 경도를 갖고,
    상기 기공 형성재가 노출될 때 상기 수용성 고분자가 물에 용해됨에 따라 상기 컨디셔닝재가 외부로 유출되고, 상기 유출된 컨디셔닝재에 의해 상기 3D 프린팅 성형물의 표면이 연속적으로 컨디셔닝 되는 것
    을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연마입자는 10 내지 50 중량%인 것
    을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연마입자의 직경은 0.1~900㎛인 것
    을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
  8. 제 2 항에 있어서,
    길이 방향을 따라 상기 제1 필라멘트와 상기 제2 필라멘트가 교번하여 형성된 것
    을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
  9. 제 2 항의 제1 필라멘트와 제2 필라멘트;
    상기 제1 필라멘트와 제2 필라멘트를 선택적으로 이송하는 익스트루더;
    상기 익스트루더에 의해 이송되는 제1 필라멘트 또는 제2 필라멘트를 가열하는 히팅 블록; 및
    상기 히팅 블록에 의해 유동화된 제1 필라멘트 또는 제2 필라멘트를 분사하는 노즐을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 3D 프린터.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항의 필라멘트를 이용하여 3D 프린팅 방식으로 제조된 제품.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2020251917A1 (en) * 2019-06-10 2020-12-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional printing with pore promoting compounds

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