KR20180134703A - 크레용 제조를 위한 3d 프린터용 필라멘트 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

카카오버터를 포함하는 초콜릿 성분, 천연 밀랍 등을 포함하는 크레용 성분 및 열가소성 수지를 포함하는 크레용 제조용 3D 프린터용 필라멘트가 개시되어 있다.

Description

크레용 제조를 위한 3D 프린터용 필라멘트 및 그 제조 방법{3D printer filament and method for manufacturing creyon}

본 발명은 크레용 제조를 위한 3D 프린터용 필라멘트 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 천연 밀랍, 카카오버터, 스테아르산, 대두유, 카나우바왁스, 아로마 오일, 식품용 수산화칼슘, 천연 색소 및 및 열가소성 수지로 이루어진 3D 프린터용 필라멘트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

3D 프린터는 2D 프린터가 활자나 그림을 인쇄하듯이 입력한 도면을 바탕으로 3차원의 입체 물품을 만들어내는 기계이다. 3D 프린터는 앞뒤(x축)와 좌우(y축)에 상하(z축) 운동을 더하여 입력한 3D 도면을 바탕으로 입체 물품을 만들어낸다.

3D 프린터는 입체 형태를 만드는 방식에 따라 크게 한 층씩 쌓아 올리는 적층형(첨가형 또는 쾌속조형 방식)과 큰 덩어리를 깎아가는 절삭형(컴퓨터 수치제어 조각 방식)으로 구분한다. 적층형은 파우더(석고나 나일론 등의 가루)나 플라스틱 액체 또는 플라스틱 실을 종이보다 얇은 0.01~0.08㎜의 층(레이어)으로 겹겹이 쌓아 입체 형상을 만들어내는 방식이다. 레이어가 얇을수록 정밀한 형상을 얻을 수 있고, 채색을 동시에 진행할 수 있다. 절삭형은 커다란 덩어리를 조각하듯이 깎아내 입체 형상을 만들어내는 방식이다. 적층형에 비하여 완성품이 더 정밀하다는 장점이 있지만, 재료가 많이 소모되고 컵처럼 안쪽이 파인 모양은 제작하기 어려우며 채색 작업을 따로 해야 하는 것이 단점이다.

3D 프린팅의 장점은 하나의 제품만을 생산하는 경우에도 생산 비용이 비교적 적게 들고, 어떤 모양의 제품이든 자유롭게 만들어낼 수 있다는 데 있다. 기존의 모형 제조 기술에서는 틀을 만든 후, 틀을 이용하여 제품을 생산하기 때문에 하나의 제품을 만드는 데 소요되는 비용이 매우 크지만, 3D 프린팅 기술은 틀 없이 원료를 한 겹씩 적층하여 제품을 생산하기 때문에 다품종 소량생산에 매우 적합하다. 또한 3D 프린팅 기술에 의하면, 아무리 복잡한 모양의 제품이라도 간단하게 생산할 수 있기 때문에, 3D 프린팅 기술을 이용하여 생산할 수 있는 제품의 종류는 사실상 무궁무진하다고 할 수 있다. 그로 인해, 3D 프린팅 기술은 제조업, 의료, IT 분야 등 다방면에서 기술의 패러다임을 바꾸며, 산업 혁신을 이끌 것으로 기대되고 있다.

제작 단계는 모델링(modeling), 프린팅(printing), 피니싱(finishing)으로 이루어진다. 모델링은 3D 도면을 제작하는 단계로, 3D CAD(computer aided design)나 3D 모델링 프로그램 또는 3D 스캐너 등을 이용하여 제작하는 것이다. 프린팅은 모델링 과정에서 제작된 3D 도면을 이용하여 물체를 만드는 단계로, 적층형 또는 절삭형 등으로 작업을 진행하는 것이다. 이때 소요시간은 제작물의 크기와 복잡도에 따라 다르다. 피니싱은 산출된 제작물에 대해 보완 작업을 하는 단계로, 색을 칠하거나 표면을 연마하거나 부분 제작물을 조립하는 등의 작업을 진행하는 것이다.

3D 프린터의 재료로는 플라스틱, 금속, 세라믹, 바이오 물질 또는 식품 등이 사용되며, 이는 분말 형태, 필라멘트 형태, 펠릿 형태, 액체수지 형태로 사용되고 있다. 나일론이나 폴리아미드 같은 플라스틱 계열은 유연하고 내구성이 뛰어나 가장 많이 사용되며, 일반적으로 분말 형태나 필라멘트 형태로 많이 사용된다. 플라스틱 종류로는 알루마이드, ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PLA(Polylactic acid) 및 Laywood 등이 있다. 금속재료로는 알루미늄, 코발트 유도체, 스테인레스, 금, 은 또는 티타늄 등이 분말형태로 사용된다. 최근에는 세라믹, 종이, 바이오 물질 또는 식품이 사용되기도 한다.

기존의 3D 프린터 재료는 3D 프린터로 가공 시 유해 가스 또는 유해 물질이 많이 배출되어 인체에 유해하고 환경 오염에 원인이 되고 있다. 특히 아동이나 청소년층이 사용하기에 적합한 3D 프린터 필라멘트용 소재가 없으며, 기존의 초콜릿으로 3D 프린터 필라멘트 제조 시에는 탄성도 없으며 부서지는 문제점이 있고 소재를 환형태로의 가공 후 투입하고 기존의 3D 프린터에 호퍼형식의 투입구를 장착한 후 가열하는 개조과정을 거쳐 이루어진다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 3D 프린터로 크레용 제조 시, 초콜릿 크레용 특성에 적합한 3D 프린터용 필라멘트를 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따라, 3D 프린터용 필라멘트는 천연 밀랍, 카카오버터, 스테아르산, 대두유, 카나우바왁스, 아로마 오일, 식품용 수산화칼슘, 천연 색소 및 및 열가소성수지를 포함한다.

상기 3D 프린터용 필라멘트는 3D 프린터 재료의 총량 기준으로 상기 천연 밀랍은 20 내지 50 중량%, 상기 카카오버터는 1 내지 40 중량%, 상기 스테아르산은 1 내지 10 중량%, 상기 대두유는 5 내지 30 중량%, 상기 카나우바왁스는 0.5 내지 5 중량%, 상기 아로마 오일은 0.5 내지 5 중량%, 상기 식품용 수산화칼슘은 10 내지 40 중량%, 상기 천연색소는 2 내지 30 중량 % 및 열가소성 수지는 20 내지 40중량%를 함유할 수 있다.

상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌·나일론·폴리아세탈수지, 염화비닐수지, 폴리스타이렌, ABS수지, 아크릴수지 중 어느 하나일 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따라, 3D 프린터용 필라멘트 제조방법은 천연 밀랍, 카카오버터, 스테아르산, 대두유, 카나우바왁스, 아로마 오일, 식품용 수산화칼슘, 천연 색소 및 및 열가소성수지를 가열하여 용해하는 단계; 상기 용해물을 냉각하고 고체화하여 분산하는 단계; 상기 분산물을 재가열하여 재용해하는 단계; 및 상기 재용해물을 필라멘트 형태로 압출하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 3D 프린터로 크레용, 특히, 초콜릿 성분을 포함하는 초콜릿 크레용 제조에 적합한 열가소성 수지를 채택함으로써, 탄성이 우수하여 크레용이 부러지지 않으며, 착색이 더 우수한 효과를 가지고 있다.

또한, 아로마 오일을 부가함으로써 아로마 테라피 효과로 인하여 향기 및 심리적 안정 효과 등을 가져다 줄 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트의 제조 과정에 관한 흐름도를 나타내는 도면이다.

다음은 본 발명에 대해 아래의 실시예를 참고로 보다 구체적으로 설명한다. 또한, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 또한, 배합량은 중량 기준으로 나타낸다.

본 발명에 있어서, 3D 프린터용 필라멘트는 천연 밀랍, 카카오버터, 스테아르산, 대두유, 카나우바왁스, 아로마 오일, 식품용 수산화칼슘, 천연 색소 및 및 열가소성수지를 포함한다.

3D 프린터용 필라멘트에는 3D 프린터용 필라멘트의 총량 기준으로 천연 밀랍은 20 내지 50 중량%, 상기 카카오버터는 1 내지 40 중량%, 상기 스테아르산은 1 내지 10 중량%, 상기 대두유는 5 내지 30 중량%, 상기 카나우바왁스는 0.5 내지 5 중량%, 상기 아로마 오일은 0.5 내지 5 중량%, 상기 식품용 수산화칼슘은 10 내지 40 중량%, 상기 천연색소는 2 내지 30 중량 % 및 열가소성 수지는 20 내지 40중량%가 함유되어 있다.

천연 밀랍(beeswax)은 벌집에서 가열압착법 또는 용제추출법을 통하여 채취하는 동물성 고체랍으로 점착성이 있는 비결정성 물질이다. 밀랍의 주성분은 멜리실알코올의 팔미트산 에스터와 세로트산이다. 밀랍의 특성으로는 녹는점 62~63℃, 비중 0.961~0.973, 굴절률 1.456~1.459, 비누화값 86~93, 아이오딘값 8~14의 특성을 가진다. 본 발명에 있어서 천연 밀랍은 식용 밀랍이다. 천연 밀랍은 안료인 천연 색소와 기타 첨가물과의 응집과 착색을 위한 첨가물로서, 사용 시 녹는점 향상과 보습의 효과를 가지며 구성 성분의 균일한 분산을 돕는 역할을 한다.

카카오버터는 카카오 열매의 핵에서 압착법에 의하여 얻는 지방으로서 팔미트산, 스테아르산, 올레산 등을 구성 성분으로 하고 있다. 카카오버터는 녹는점 28~36℃, 비누화값 190~200, 아이오딘값 35~40이며, 구성 지방산은 팔미트산, 스테아르산, 올레산 등이다. 천연 밀랍만으로 크레용을 제조했을 경우, 강도가 높아 크레용이 깨지기 쉬워 진다. 그러나 카카오버터를 함유하여 크레용을 제조함으로써 강도를 조절하여 크레용 제조 과정이나 완성 후 사용 시 파손을 방지할 수가 있고, 착색면에 부드럽게 칠해지는 착색의 기능을 강화한다. 또한, 카카오버터가 함유됨으로써 크레용에서 초콜릿 냄새를 나게 할 수 있으며, 더욱 식품에 가까운 크레용이 될 수 있다.

스테아르산(Stearic acid)은 탄소수 18의 포화 고급지방산이다. 글리세롤과의 에스터로 널리 동식물계의 유지나 인지질에 함유되어 있고 천연으로는 가장 다량으로 존재하는 지방산이다. 화학식은 C₁₈H₃₆O₂이며, 상온에서는 흰색의 나뭇잎 모양 결정으로, 분자량 284.48g/mol, 녹는점 71~71.5℃, 응고점 69.4℃, 끓는점 383℃, 밀도 0.94g/cm³이다. 스테아르산은 천연 밀랍과 유사한 역할을 하지만, 천연 밀랍보다는 더 단단하게 크레용을 구성할 수 있어 최후 과정인 성형 과정 시 수축 방지의 기능을 한다.

대두유는 대두(함유량 18~20%)에서 채유되는 반 건성유이다. 대두의 주산지는 미국, 남미 등이고 그 대부분은 착유 원료로 한다. 주성분은 리놀산, 올레산, 팔미트산 및 리노렌산의 혼합 글리세리드로 되어 있다. 조제 콩기름은 황갈색이고 불쾌한 냄새가 나므로 이것을 다시 정제하여 식용한다. 정제한 기름은 담황색이며 냄새가 없고 맛도 구수하여 식용유로서 가장 다량으로 소비된다. 크레용 제조 시 대두유가 첨가됨으로써, 제조 후 사용 시 부드럽게 착색이 되고, 또한 크레용이 일정 수준의 유분을 함유하게 함으로써 제품 소진 시까지 품질을 균일하게 하는 역할을 한다.

카나우바 왁스(Carnauba Wax)는 야자과 브라질 왁스 야자수의 잎과 싹으로부터 얻어 정제한 왁스이다. 카나우바 왁스는 엷은 황색~엷은 갈색의 가루, 박편 또는 단단하고 부스러지기 쉬운 덩어리로 된 천연 왁스이다. 끓는 알코올에 부분적으로 용해되며, 클로로폼과 에테르에 용해되나 물에는 용해되지 않는다. 비중은 약 0.997이고, 녹는점은 80~86℃이어야 한다. 1일허용섭취량(ADI)은 0.0~7.0mg/kg이며, 사탕류의 피막제로 이용한다. 카나우바왁스는 크레용을 단단하게 만들며, 천연 밀랍과 더불어 제품의 사용 시나 유통 과정의 한계 온도인 60℃까지 녹는점을 향상시키는 역할을 한다.

아로마 오일(정유)은 약효성분이 있는 허브와 스파이스 그리고 식물의 꽃, 줄기, 열매, 뿌리, 잎, 수피, 수지 등에서 추출한 휘발성이거나 인화성이 있는 물질로, 크레용에 아로마 향기가 나게 하는 역할 및 향기로 인한 심리적 안정을 가져다 줄 수 있는 역할을 한다. 본 발명에 있어서, 향기를 나게 하는 오일은 식품 첨가물로 가능한 것이면 상관은 없다.

수산화칼슘은 물에 용해되기 어려운 무색 결정, Ca(OH)2. 속칭 소석회라고도 한다. 수용액은 석회수라 하고 현탁액은 석회유라 한다. 또 수용액은 공기 중의 이산화탄소를 흡수하여 탄산칼슘의 백탁(白濁)이 생긴다. 생석회(산화칼슘 CaO)에 물을 작용시키면 격렬하게 발열하며 생긴다. 수산화칼슘은 염가의 공업용 염기, 부식제, 산성 토양의 중화제로 사용되나 이는 공업용 수산화칼슘을 의미한다. 본 발명에 있어서는, 식품첨가물로 사용되는 식품용 수산화칼슘이 이용된다.

수산화칼슘은 천연 색소와 더불어 기본 색인 하얀 색상을 더욱 선명하게 하고, 제품의 질감을 좋게 하고, 착색을 용이하게 한다.

천연 색소는 동식물체에서 얻어지는 천연의 색소를 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 천연 색소는 동물 또는 식물로부터 얻어지는 천연 색소 모두를 포함한다. 예를 들어, 천연 색소는 딸기 분말, 블루베리 분말, 녹차 분말, 치자 분말, 오징어 먹물, 자색 고구마 분말 등으로 이루어질 수 있다. 천연 색소는 크레용의 색을 결정하는 역할을 한다.

열가소성수지(thermoplastic resin)는 열을 가하여 성형한 뒤에도 다시 열을 가하면 형태를 변형시킬 수 있는 수지로 압출성형·사출성형에 의해 능률적으로 가공할 수 있다는 장점이 있는 반면, 내열성·내용제성은 열경화성수지에 비해 약한 편이다. 종류에는 결정성과 비결정성이 있다.

가열하면 소성변형을 일으키지만 냉각하면 가역적으로 단단해지는 성질을 이용한 것으로, 보통 고체 상태의 고분자물질로 이루어진다. 이 경우, 선 모양의 구조를 가진 고분자화합물을 가열하면 가소성을 드러내어 여러 가지 모양으로 변형시킬 수 있고, 냉각하면 모양을 그대로 유지하면서 굳는다. 다시 열을 가하면 물렁물렁해지며, 계속 높은 온도로 가열하면 유동체가 된다. 결정성 열가소성수지에는 폴리에틸렌, 나일론, 폴리아세탈수지 등이 포함되고 유백색이다. 비결정성 열가소성수지에는 염화비닐수지, 폴리스타이렌, ABS수지, 아크릴수지 등의 투명한 것이 많다.

본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트는 3D 프린터로 크레용을 제조 시, 3D 프린터 재료로 사용될 수 있다. 이는 일 실시예일뿐, 본 발명에 따른 3D 프린터 재료는 3D 프린팅시 사용되는 것이며, 그 용도에 제한이 있는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트의 제조 과정에 관한 흐름도를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 단계 110은 제 1 교반 과정으로, 천연 밀랍, 카카오버터, 스테아르산, 대두유, 카나우바왁스, 아로마 오일, 식품용 수산화칼슘, 천연 색소 및 및 열가소성수지를 가열하여 용해한다.

이때, 제 1 교반 과정이 수행되는 3D 프린터용 필라멘트는 3D 프린터용 필라멘트의 총량 기준으로 천연 밀랍은 20 내지 50 중량%, 상기 카카오버터는 1 내지 40 중량%, 상기 스테아르산은 1 내지 10 중량%, 상기 대두유는 5 내지 30 중량%, 상기 카나우바왁스는 0.5 내지 5 중량%, 상기 아로마 오일은 0.5 내지 5 중량%, 상기 식품용 수산화칼슘은 10 내지 40 중량%, 상기 천연색소는 2 내지 30 중량 % 및 열가소성 수지는 20 내지 40중량%이 함유될 수 있다.

단계 120은 분산 과정으로, 제 1 교반 과정의 결과물인 용해물을 냉각하여 고체화하고, 이를 분산한다. 제 1 교반 과정의 용해물을 냉각수를 통하여 냉각한 후, 이를 삼본밀(3-Roll Mill)에 투입하여 분쇄 또는 분산과정을 거친다.

삼본밀은 수평으로 놓인 롤러 사이의 미세한 간극으로 시료를 통과시켜 시료의 균질화에 적용되는 장비이다. 인접한 3개의 롤러가 회전함으로써 시료에 압력과 전단력이 가해져, 혼합, 분쇄 및 분산의 효과를 얻는다.

분쇄 또는 분산 과정을 통하여 분말 원료들의 입자가 균일하게 분산됨으로써 용해하기가 더 용이하고, 천연 색소의 경우 입자의 크기가 불균형하여 미세 분쇄를 통하여 발색이나 착색을 용이하게 하도록 한다.

단계 130은 제 2 교반 과정으로, 단계 120의 분쇄 과정을 거친 결과물을 다시 용해한다.

단계 140은 압출 과정으로, 압출기를 통하여 제 2 교반 과정을 거친 3D 프린터 재료를 필라멘트 형태로 압출하여 3D 프린터에 사용될 수 있게 한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 - 제 1 교반 과정, 120 - 분산 과정
130 - 제 2 교반 과정, 140 - 압출 과정

Claims (3)

1. 천연 밀랍, 카카오버터, 스테아르산, 대두유, 카나우바왁스, 아로마 오일, 식품용 수산화칼슘, 천연 색소 및 및 열가소성수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 크레용 제조를 위한 3D 프린터용 필라멘트.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 3D 프린터용 필라멘트는 3D 프린터 재료의 총량 기준으로 상기 천연 밀랍은 20 내지 50 중량%, 상기 카카오버터는 1 내지 40 중량%, 상기 스테아르산은 1 내지 10 중량%, 상기 대두유는 5 내지 30 중량%, 상기 카나우바왁스는 0.5 내지 5 중량%, 상기 아로마 오일은 0.5 내지 5 중량%, 상기 식품용 수산화칼슘은 10 내지 40 중량%, 상기 천연색소는 2 내지 30 중량 % 및 열가소성 수지는 20 내지 40중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 크레용 제조를 위한 3D 프린터용 필라멘트.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌·나일론·폴리아세탈수지, 염화비닐수지, 폴리스타이렌, ABS수지, 아크릴수지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 크레용 제조를 위한 3D 프린터용 필라멘트.

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