KR20200036076A - 탄소섬유용 프리커서를 이용한 ３ｄ 프린터 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일양태에 따르면, 프린터 장치의 몸체, 몸체부 내측의 하단에 설치되는 작업판, 작업판의 상부에 위치되는 헤드부를 포함하는 3D 물체를 생성하기 위한 3D 프린터 장치가 제공되고, 여기서 헤드부는 프린터 장치의 몸체 내부에서 3축 방향으로 이동가능하도록 설치되고, 헤드부는 재료공급 노즐 및 레이저조사부를 포함하고, 재료공급노즐은 재료공급부로부터 탄소섬유용 프리커서를 공급받아 작업판 상부에 토출하고, 레이저조사부는 작업판 상부에 토출된 탄소섬유용 프리커서를 탄화하도록 조사한다.
작업판 상부에서 탄소섬유용 프리커서의 토출과 탄화가 X축, Y축, Z축을 따라 반복적으로 수행됨에 따라 탄소섬유로 제작된 3D 제품을 생산할 수 있게 된다.

Description

탄소섬유용 프리커서를 이용한 ３Ｄ 프린터 장치{3D PRINTING DEVICE USING CARBON FIBER PRECURSOR}

본 발명은 탄소섬유용 프리커서를 이용한 3D 프린터 장치에 관한 것이다.

최근 3D 프린팅 소재 개발을 포함한 기술의 발달과 경제적 효용성으로 인해 3차원 물체 성형이 가능한 3D 프린터가 다양한 산업분야에 활용되면서 그 기술 수용성이 높아지고 있다. 3D 프린팅은 컴퓨터의 3D 설계 도면을 3D 프린터로 전송하여 제품을 성형하는 방식으로, 이러한 3D 프린터의 제품성형 방식에는 수지 등의 원료를 용융한 후 노즐을 통해 압출하여 경화된 얇은 막을 쌓아가는 방식(Fused Deposition Modeling; FDM 방식), 원료를 레이저로 가열하여 소결하는 방식(Selective Laser Sintering; SLS 방식) 및 광경화성 액체 수지가 담긴 수조에 레이저를 투사하여 경화시키는 방식(Stereo Lithography Appartus; SLA 방식) 등이 있다.

이러한 방식 중에서 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식(FDM 방식)의 3D 프린터는 다른 3D 프린터에 비해 장치의 구조와 프로그램이 간단하고 생산단가가 저렴한데, 이러한 이유로 필라멘트를 이용하는 FDM 방식의 3D 프린터는 대형화에 유리하고 다양한 산업분야에 적용이 가능하여 가정용, 공업용으로 대중화되고 있는 추세이다.

그러나 FDM 방식 프린터의 재료인 필라멘트 소재로 가장 많이 사용되고 있는 플라스틱 소재는 ABS(AcrylonitrileButadiene Styrene)와 PLA(PolyLactic Acid)인데, 이중 ABS는 가격이 저렴하고 내구성이 좋으나, 가공시 220℃ 정도의 고온 및 출력시의 수축현상을 방지하지 위한 히팅베드가 필요하다는 단점이 있다. 또한, PLA는 생분해성이고 친환경적이며 ABS보다 출력이 쉬워 많은 각광을 받고 있지만, 강도와 내구성이 약하고 전도성이 낮아 전기 전자 부품, 바이오 등과 같은 다양한 분야에서의 사용에 한계가 있다.

또한 최근 탄소섬유가 각광 받고 있다. 탄소섬유란 탄소원소의 질량 함유율이 90%이상으로 이루어진 섬유상의 탄소재료를 일컫는다. 탄소섬유는 일반적으로 강철보다 1/5 가볍고 강도는 10배 강할 뿐만 아니라 전도성, 내열성, 치수안정성 및 내화학 약품성 등 우수한 특성을 가지고 있는 고강도/고탄성 첨단 소재로서 항공우주, 방산 및 반도체 등 고부가 복합재료의 핵심 소재로서 알려지고 있다.

더불어 탄소섬유는 금속 (고강도/전도성), 비철금속 (고강도/경량), 세라믹 (내열성/내화학성), 플라스틱 (경량)의 장점들을 모두 가지고 있고 다른 소재와의 융복합화가 우수하여 전 산업에 다양하게 사용되고 있다.

또한 탄소섬유는 환경, 에너지 및 나노분야에서 각광을 받고 있으며 2005년 미국에서 선정한 10가지 향후 기술에 탄소나노튜브 및 인조다이아몬드와 함께 탄소섬유강화 복합재료가 선정될 만큼 차세대 핵심소재로 판단된다. 탄소섬유는 경량화를 선도하는 재료이다. 따라서 10%의 중량이 감소되면 6-7%의 연료 절감효과가 있다. 일반적으로 소재의 중량을 감소시키면 그 용도는 더욱 확장된다.

그러나 탄소섬유는 이와 같은 장점에도 불구하고 그 자체가 갖는 고강도의 특성으로 인해 3D 프린팅이 불가능하고, 따라서 현재는 금속나노입자와 탄소나노튜브를 분말형태의 필러로서 고분자 수지 내에 적정한 비율로 분산시켜 고분자 수지의 강도를 향상시키는 방식이 이용되고 있지만, 이 경우에도 필러로서 이용되는 금속나노입자나 탄소나노튜브의 양은 고분자 수지의 특성을 유지하는 범위내에서 제한적으로 이용되기 때문에 최종 제작된 3D 물체의 강도는 크게 향상되지 않는다라는 문제점이 여전히 존재한다.

본 발명은 전술한 바와 같이 탄소섬유로 제작된 물체와 동일한 강도를 가질 수 있는 3D 프린터 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일양태에 따르면, 프린터 장치의 몸체, 몸체부 내측의 하단에 설치되는 작업판, 작업판의 상부에 위치되는 헤드부를 포함하는 3D 물체를 생성하기 위한 3D 프린터 장치가 제공된다.

상기 양태에서 헤드부는 프린터 장치의 몸체 내부에서 3축 방향으로 이동가능하도록 설치되고, 헤드부는 재료공급 노즐 및 레이저조사부를 포함하고, 재료공급노즐은 재료공급부로부터 탄소섬유용 프리커서를 공급받아 작업판 상부에 토출하고, 레이저조사부는 작업판 상부에 토출된 탄소섬유용 프리커서를 탄화하도록 조사한다.

또한 전술한 양태에서 3D 프린터 장치는 헤드부를 X축, Y축, 및 Z축 방향을 포함하는 3축 방향으로 이동시키기 위한 X축, Y축, 및 Z축 방향 구동 모터 및 X축, Y축, 및 Z축 방향 안내부를 더 포함한다.

전술한 양태에서 재료공급노즐 및 상기 레이저 조사부는 X축방향을 따라 일렬로 정렬되고, 상기 재료공급노즐 및 레이저 조사부는 미리정해진 간격으로 서로 이격되어 고정된다.

또한 전술한 양태에서 3D 프린터 장치는 재료공급노즐에 탄소섬유용 프리커서 재료를 공급하기 위한 재료공급부를 더 포함하고, 재료공급부는 상기 재료공급노즐의 상부에 결합된다.

바람직하게 탄소섬유용 프리커서 재료는 팬계, 피치계 또는 레이온계 프리커서 중 어느 하나가 이용가능하다.

또한 전술한 양태에서 탄소섬유용 프리커서 재료는 섬유의 형태 또는 액적의 형태로 재료공급노즐로부터 토출될 수 있다.

본 발명에 따르면 탄소섬유용 프리커서 재료를 토출하는 동시에 레이저를 이용하여 프리커서 재료를 탄화시킴에 따라 탄소섬유로 이루어진 최종 3D 제품이 얻어질 수 있으며, 이최종 제작된 3D 제품의 강도가 크게 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터의 일례를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 실시예에서의 헤드부를 보다 구체적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린터에서 3축 상에서의 헤드부의 이동을 설명하기 위한 설명도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터 장치(10)는 3D 프린터 장치(10)의 몸체(600), 몸체부(600) 내측의 하단에 설치되는 작업판(200), 작업판의 상부에 위치되는 헤드부(head)(500), 헤드부(500)의 위치를 이동시키기 위한 수직/수평 안내부(310,320), 3D 프린팅을 위한 재료를 공급하는 재료공급부(550), 및 헤드부(500)를 수직/수평 안내부 상에서 이동하기 위한 수직/수평 구동부(310,420)을 포함한다. 또한 본 발명에 따른 3D 프린터 장치(10)는 외부의 컴퓨터와 통신을 수행하고 외부로부터의 명령에 의해 헤드부(500)의 이동 및 위치를 제어하기 위한 제어부(100)를 몸체 외측에 포함한다.

몸체부(600)의 하단에 설치되는 작업판(200)은 몸체부 내측에서 지면과 수평하게 설치되고 몸체부(600) 내에 설치된다.

작업판의 상부에 위치되는 헤드부(head)(500)는 도 2에 도시된 바와 같이 재료공급 노즐(510) 및 레이저조사부(520)를 포함한다. 재료공급노즐(510)은 재료공급부(550)로부터 공급되는 재료를 작업판(200) 상부에 토출한다. 헤드부(500)는 수평 방향 안내부(X축)(320)를 따라 수평방향 구동부(모터)(420)에 의해 X축 상에서 이동되고, 수직 방향 안내부(Z축)(310)를 따라 수직방향 구동부(모터)(420)에 의해 Z축 상에서 이동될 수 있다. 또한 도시되지는 않았지만 수직방향 안내부(310)이 Y축을 따라 이동하는 슬라이딩 수단 등에 의해 이동하여 헤드부(200)가 Y축 방향으로 이동하거나 작업판(200)이 Y축 방향으로 이동하도록 구성될 수 도 있다.

본 발명에서 3D 프린팅을 위해 탄소 섬유를 제조하기 위한 탄소섬유 전구체 섬유 또는 프리커서 섬유를 사용하는데, 탄소섬유 전구체는 재료공급부(500) 내에 수용되고 재료공급노즐(510)을 통해 작업판(200) 상부에 공급된다. 재료공급노즐(510)은 기판으로부터 대략 3mm 내지 8mm의 거리로 이격되어 있으며, 더욱 바람직하게는 5mm의 정도로 이격되는 것이 바람직하다. 이격거리가 너무 넓은 경우 섬유형태로 제공되는 프리커서로 인해 정밀한 3D 인쇄 작업이 곤란하기 때문이다.

통상적으로 탄소섬유는 아크릴 수지나 석유, 석탄 등 여러 가지 재료에서 탄화시켜서 만들어지는데, 탄소 섬유를 만들기 전의 재료를 프리커서라고 한다. 프리커서는 크게 3가지로 구분되고 프리커서에 따라 탄소섬유의 종류도 다음과 같이 분류된다.

첫째, 팬(PAN)계 탄소 섬유로 폴리아크릴로니트릴(Polyacrillonitrile)로 만든 섬유다. 현재 사용하는 대부분의 탄소가 팬계 탄소섬유라고 할 수 있으며 생산성이 좋고 값이 싼 편이다.

둘째로는 피치(PITCH)계 탄소 섬유이다. 피치계 탄소 섬유는 아스팔트의 부산물로 나오는 피치를 섬유형태로 방사시킨 후 탄화시킨 것이다. 피치계 탄소 섬유는 탄성이 매우 좋지만 값이 비싼 단점이 있다.

마지막으로 레이온(RAYON)계 탄소섬유로 레이온 섬유를 고온에서 탄화시켜 만들며 내열성이 매우 좋지만 군사용이나 우주 항공용으로 이용된다.

본 발명에서는 팬계, 피치계 또는 레이온계 프리커서 중 어느 것이라도 사용될 수 있지만, 바람직하게는 비교적 연신성이 낮은 팬계열의 프리커서를 이용하는 것이 바람직하다.

레이저조사부(520)는 몸체의 내측에 형성된 레이저 광원부(미도시)로부터 레이저를 공급받고, 레이저 조사부(520)과 레이저 광원부는 광섬유케이블과 같은 매체를 통해 서로 연결될 수 있다.

레이저조사부(520)는 재료공급노즐(510)의 이동에 후속하여 이동하여 재료공급노즐로부터 공급되는 프리커서 섬유를 레이저 조사하여 탄화시킨다. 조사되는 레이저의 종류나 파장 등은 사용되는 프리커서 섬유에 따라 상이하게 선택될 수 있다.

또한 레이저조사부(520)는 적어도 1000℃ 이상의 온도로 토출된 프리커서 섬유를 탄화하기 위한 출력을 갖는 것이 바람직하다.

헤드부(500)의 재료공급노즐(510)과 레이저조사부(520)는 도 2에 도시한 바와 같이 바인더(530)에 의해 서로 체결되어 X-Y 평면의 동일선 상에서 이동하게 된다. 즉, 도 2에서와 같이 헤드부(500)는 3D 모형을 형성하는 도중에는 화살표 방향으로 이동하면서 재료공급노즐(510)에 의한 프리커서 재료의 토출과 레이저조사부(520)에 의한 프리커서 재료의 탄화가 동시에 이루어지게 된다.

프리커서 재료의 토출 및 레이저 탄화시 몸체(600) 내의 공간(610)은 불활성 기체로 체워지는데 불활성 가스로서는 질소가스 또는 아르곤 가스가 사용될 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 이와 같이 구성된 재료공급노즐(510)과 레이저조사부(520)을 갖는 헤드부(500)를 구비한 3D 프린터를 이용하여 임의의 물체를 형성하는 것을 설명하기 위한 설명도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 먼저 프리커서 재료의 토출 및 레이저 조사에 의한 탄화 작업은 먼저 Z0 평면상에서, y0축 지점을 시작점으로 X축을 따라 헤드부(500)가 이동하며 프리커서 재료의 토출과 프리커서 재료의 레이저 탄화 작업을 수행한다. y0 상에서의 토출 및 탄화작업이 완료되면 헤드부(500)는 y축 상에서 다음번 열인 y1축 지점으로 이동하고 이어서 y1축 지점에서 X축을 따라 헤드부(500)가 이동하며 프리커서 재료의 토출과 프리커서 재료의 레이저 탄화 작업을 수행한다.

Z0 평면 상에서 이와 같은 프리커서 재료의 토출 및 레이저 탄화 작업이 완료되면, 즉, Z0 평면 상에서 y0열부터 yn 열까지의 프리커서 재료의 토출 및 레이저 탄화 작업이 완료되면 헤드는 Z1 축지점으로 이동되고 다시 Z1 축상에서 y0열부터 yn 열까지의 프리커서 재료의 토출 및 레이저 탄화 작업을 반복하여 수행된다. 이와 같은 작업은 Z축 상에서 Zn까지의 순차적으로 반복하여 수행된다.

따라서 이와 같은 프리커서 재료의 토출 및 레이저 탄화 작업이 전 층에서 이루어지게 되고 3D 형상을 갖는 최종 제품을 완성되게 된다.

이와 같은 본 발명에 따르면 프리커서 재료를 토출하는 동시에 레이저를 이용하여 프리커서 재료를 탄화시킴에 따라 탄소섬유로 이루어진 최종 3D 제품이 얻어질 수 있으며, 이최종 제작된 3D 제품의 강도가 크게 향상될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

전술한 실시예에서 헤드부가 수평 방향(X,Y축 방향) 및 수직방향(Z축 방향)으로 이동하는 것으로 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 헤드부가 수평 방향(X,Y축 방향)으로 이동가능하고 및 작업판(200)이 수직방향(Z축 방향)으로 이동하도록 구성될 수도 있다.

또한 전술한 실시예에서 3D 프린팅에 이용되는 재료로서 섬유형태의 프리커서를 사용하는 것으로 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 분말 프리커서 입자를 포함하는 액상 형태의 재료가 이용될 수도 있다.

따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 의해 제한되기 보다는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10:3D 프린터 200: 작업판
310: 수직방향 안내부 320: 수평방향 안내부
410: 수직방향 구동부 420: 수평방향 구동부
500: 헤드부 510: 재료공급노즐
520: 레이저조사부 520: 결합용 바인더
550: 재료공급부 610: 공간

Claims (6)

1. 프린터 장치의 몸체, 몸체부 내측의 하단에 설치되는 작업판, 작업판의 상부에 위치되는 헤드부를 포함하는 3D 물체를 생성하기 위한 3D 프린터 장치에 있어서,
   상기 헤드부는 프린터 장치의 몸체 내부에서 3축 방향으로 이동가능하도록 설치되고,
   상기 헤드부는 재료공급 노즐 및 레이저조사부를 포함하고,
   재료공급노즐은 재료공급부로부터 탄소섬유용 프리커서를 공급받아 상기 작업판 상부에 토출하고,
   상기 레이저조사부는 작업판 상부에 토출된 탄소섬유용 프리커서를 탄화하도록 조사하는 것을 특징으로 하는
   3D 프린터 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 3D 프린터 장치는
   헤드부를 X축, Y축, 및 Z축 방향을 포함하는 3축 방향으로 이동시키기 위한 X축, Y축, 및 Z축 방향 구동 모터 및 X축, Y축, 및 Z축 방향 안내부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   3D 프린터 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 재료공급노즐 및 상기 레이저 조사부는 X축방향을 따라 일렬로 정렬되고, 상기 재료공급노즐 및 레이저 조사부는 미리정해진 간격으로 서로 이격되어 고정되어 있는 것을 특징으로 하는
   3D 프린터 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 3D 프린터 장치는 상기 재료공급노즐에 탄소섬유용 프리커서 재료를 공급하기 위한 재료공급부를 더 포함하고,
   상기 재료공급부는 상기 재료공급노즐의 상부에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는
   3D 프린터 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 탄소섬유용 프리커서 재료는 팬계, 피치계 또는 레이온계 프리커서 중 어느 하나가 이용되는 것을 특징으로 하는
   3D 프린터 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 탄소섬유용 프리커서 재료는 섬유의 형태 또는 액적의 형태로 재료공급노즐로부터 토출되는 것을 특징으로 하는
   3D 프린터 장치.
   

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