KR20210020309A - 3d 프린트용 필라멘트 제조 방법 및 이에 의해 제조된 금형 - Google Patents

3d 프린트용 필라멘트 제조 방법 및 이에 의해 제조된 금형 Download PDF

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Abstract

본 발명은 FDM 방식의 3D 프린트에 효율적으로 이용될 수 있고, 생산 속도를 향상시킬 수 있으면서 정밀한 3D 제작물의 제작이 가능하며, 자재 낭비를 적어 경제성을 확보할 수 있는 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법 및 이에 의해 제조된 금형에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린트에 이용되는 필라멘트의 제조 방법에 있어서, 필라멘트를 제조하기 위한 원료로서 금속 재료와 수지 재료를 마련하는 필라멘트 원료 마련 단계; 상기 필라멘트 원료 마련 단계에서 마련된 금속 재료와 수지 재료를 소정 혼합 비율로 혼합하여 필라멘트 원료 혼합물을 마련하는 필라멘트 원료 혼합 단계; 및 상기 필라멘트 원료 혼합 단계에서 마련된 필라멘트 원료 혼합물을 압출하여 소정 직경의 3D프린트 필라멘트를 형성시키는 필라멘트 형성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법이 제공된다.

Description

3D 프린트용 필라멘트 제조 방법 및 이에 의해 제조된 금형{FILAMENT MANUFACTURING METHOD FOR 3D PRINT AND MOLD MANUFACTURED BY THE SAME}
본 발명은 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법 및 이에 의해 제조된 금형에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 FDM 방식의 3D 프린트에 효율적으로 이용될 수 있고, 생산 속도를 향상시킬 수 있으면서 정밀한 3D 제작물의 제작이 가능하며, 자재 낭비를 적어 경제성을 확보할 수 있는 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법 및 이에 의해 제조된 금형에 관한 것이다.
3D 프린터는 기업에서 어떤 물건을 제품화하기 전에 시제품을 만들기 위한 용도로 개발되었으나, 플라스틱 소재에 국한되었던 초기 단계에서 발전하여 나일론과 금속 소재로 범위가 확장되었고, 산업용 시제품뿐만 아니라 여러 방면에서 상용화 단계로 진입하였다.
일반적으로 입체 형태를 만드는 방식에 따라 크게 한 층씩 쌓아 올리는 적층형인 3D 프린터 방식(첨가형 또는 쾌속조형 방식)과 큰 덩어리를 깎아가는 절삭형 가공방식(컴퓨터 수치제어 조각 방식)으로 구분하며, 입체 형상의 대상물은 다양하게 결정될 수 있다.
상기 적층형 방식으로는 FDM(Fused Deposition Modeling)방식이 대표적이며, FFF(Fused Filament Febrication)라고도 불리며 재료는 필라멘트라고 부르는 플라스틱 와이어를 사용한다.
재료는 가열된 압출기를 통과하면서 용융이 되고 노즐을 통해 흘러나온 재료를 출력판에 적층하여 필요한 형상을 조형하는 방식으로 가정에서 접착용도로 사용하는 글루건과 방식이 유사하다.
이러한 3D 프린터의 재료는 상술한 것과 같이 필라멘트라고 불리는 얇은 플라스틱 실을 이용하며, 필라멘트를 녹여 아래에서부터 위로 층층히 쌓아가는 방식으로 구현되게 된다.
이러한 필라멘트는 제조 회사별로 자체개발한 제품을 출시하여 상용화하고 있으며, 재료에 따른 그 품질이 상이하여 개별온도 조절을 해야 하는 등 매우 적용이 까다롭다.
한편, 금형이란 복잡한 형상을 갖춘 완성도 높은 제품을 성형하기 위한 금속성의 형(型)을 말하는 것으로, 기존의 금속 플레이트(두꺼운 금속판)를 가공하여 만든 금형은 금형제작→ 사출 또는 프레스 가공→ 조립 및 제품생산의 공정으로 시간이 오래 걸리고, 목업(mock-up, 실물 크기 모형)을 가공 전에 제작해서 테스트를 하게 된다. 그러나 목업 제작에만 걸리는 시간이 일반적으로 수 주에서 한 달이 소요되며, 금형가공은 절삭가공방식이므로 자재를 깎아 원하는 형상을 만들기 때문에 자재 낭비가 큰 문제점이 있었다.
우리나라의 경우에는 대부분 필라멘트 원료를 외국에서 수입하고 있는 실정으로, 경제성이 있으면서 금형 제작에 용이한 필라멘트를 쉽게 구현할 수 있는 필요성과 이에 대한 연구 및 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1679322(2016.12.06. 공고) 대한민국 공개특허공보 10-2016-0100190(2016.08.23. 공개) 대한민국 공개특허공보 10-2018-0105650(2018.09.28. 공개) 대한민국 공개특허공보 10-2019-0078150(2019.07.04. 공개)
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, FDM 방식의 3D 프린트에 효율적으로 이용될 수 있고, 생산 속도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 정밀하며 연마성이 뛰어난 3D 제작물의 제작이 가능하며, 자재 낭비를 적어 경제성을 확보할 수 있는 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법 및 이에 의해 제조된 금형을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린트에 이용되는 필라멘트의 제조 방법에 있어서, 필라멘트를 제조하기 위한 원료로서 금속 재료와 수지 재료를 마련하는 필라멘트 원료 마련 단계; 상기 필라멘트 원료 마련 단계에서 마련된 금속 재료와 수지 재료를 소정 혼합 비율로 혼합하여 필라멘트 원료 혼합물을 마련하는 필라멘트 원료 혼합 단계; 및 상기 필라멘트 원료 혼합 단계에서 마련된 필라멘트 원료 혼합물을 압출하여 소정 직경의 3D프린트 필라멘트를 형성시키는 필라멘트 형성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 필라멘트 원료 마련 단계에서 마련되는 필라멘트 원료 중 금속 재료는 스레인레스이며, 수지 재료는 친환경 수지인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 필라멘트 원료 혼합 단계는 상기 스레인레스로서 SUS304 분말과 친환경수지로서 PLA(Poly Lactic Acid) 분말을 7:3의 비율로 혼합하며, 상기 필라멘트 형성 단계는 혼합된 혼합물을 210℃의 온도에서 압출하여 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기한 일 관점에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에 의해 제조된 3D 프린트용 필라멘트가 제공된다.
본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법 및 이에 의해 제조된 금형에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 FDM 방식의 3D 프린트에 효율적으로 적용될 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 생산 속도를 향상시킬 수 있으며, 정밀하고 연마성이 뛰어난 3D 제작물의 제작이 가능한 효과가 있다.
셋째, 본 발명은 자재 낭비를 최소화하여 경제성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 2는 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 필라멘트의 시제작을 위하여 볼밀링되어 마련된 SUS304 분말을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 필라멘트의 시제작을 위하여 마련된 PLA 수지를 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 시제작된 필라멘트 시편 및 절단면을 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 시제작된 필라멘트 시편을 전자현미경으로 촬영(500배 확대)한 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 시제작된 필라멘트 시편의 절단면을 전자현미경으로 촬영(500배 확대)한 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 시제작된 필라멘트 시편에서 SUS304의 면분석을 위해 촬영한 전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 시제작된 필라멘트 시편을 연마한 후, X-ray 회절 시험을 통해 얻은 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법으로 제작된 필라멘트를 이용하여 무선충전기용 케이스를 제작하기 위한 금형 코어의 시제작품을 촬영한 사진이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 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, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본원 명세서 전체에서, 어떤 단계가 다른 단계와 "상에"또는 "전에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 단계가 다른 단계와 직접적 시계열적인 관계에 있는 경우 뿐만 아니라, 각 단계 후의 혼합하는 단계와 같이 두 단계의 순서에 시계열적 순서가 바뀔 수 있는 간접적 시계열적 관계에 있는 경우와 동일한 권리를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법 및 이에 의해 제조된 금형에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에 대하여 도 1을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법을 나타내는 플로차트이다.
본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법은, FDM 방식의 3D 프린트에 이용되는 필라멘트의 제조 방법에 있어서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 필라멘트의 원료로서 금속 재료와 수지 재료를 마련하는 필라멘트 원료 마련 단계(S100); 상기 필라멘트 원료 마련 단계(S100)에서 마련된 금속 재료와 수지 재료를 소정 혼합 비율로 혼합하여 필라멘트 원료 혼합물을 마련하는 필라멘트 원료 혼합 단계(S200); 및 상기 필라멘트 원료 혼합 단계(S200)에서 마련된 필라멘트 원료 혼합물을 용융 압출하여 소정 직경의 3D프린트 필라멘트를 형성시키는 필라멘트 형성 단계(S300);를 포함한다.
상기 필라멘트 원료 마련 단계(S100)에서 마련되는 필라멘트 원료 중 금속 재료는 스레인레스(SUS)인 것이 바람직하다. 특히, 상기 금속 재료는 스테인레스 중에서 SUS304인 것이 더욱 바람직하다.
이러한 SUS304는 저온 강도 유지 및 가공성이 우수하고, 내식성이 좋으며, 강도가 높은 장점을 갖고 있다.
또한, 상기 필라멘트 원료 마련 단계(S100)에서 마련되는 필라멘트 원료 중 수지 재료는 생분해 가능한 친환경 수지인 것이 바람직하다. 특히, 상기 수지 재료는 친환경 수지 중에서 PLA(Poly Lactic Acid)인 것이 더욱 바람직하다.
이러한 PLA(Poly Lactic Acid)는 환경호르몬은 물론, 중금속 등 유해 물질이 검출되지 않아 안전하고, 사용 중에는 일반 플라스틱과 동등한 특징을 가지지만 폐기 시 미생물에 의해 100% 생분해되는 수지이다. PLA(Poly Lactic Acid)는 ABS수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)보다 균열이나 휨, 수축 현상이 상대적으로 적은 편이고, ABS수지와 달리 식물성 냄새가 나며 반짝이는 특성이 있으며, 색상도 다양하게 구현될 수 있는 장점이 있다.
특히, PLA는 ABS수지와 달리 온도가 내려가도 수축이 잘 안되기 때문에, 3D프린트의 필라멘트로 이용 시 비교적 안정적인 출력이 가능하며, 별도의 히트베드가 필요 없는 이점이 있다.
다음으로, 상기 필라멘트 원료 혼합 단계(S200)는 상기 필라멘트 원료 마련 단계(S100)에서 마련되는 필라멘트 원료인 금속 재료(SUS304) 및 수지 재료(PLA)를 각각 분쇄하고, 분쇄된 각각의 재료를 소정 비율로 혼합하는 것으로 이루어질 수 있다.
상기 필라멘트 원료 혼합 단계(S200)에서 재료의 분쇄는 충격(impaction)력에 의해 발생되는 기계적 에너지를 이용하는 볼 밀링법(Ball milling method)을 이용하여 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 필라멘트 원료 혼합 단계(S200)에서 두 재료(수지 재료인 PLA와 금속 재료인 SUS304)는 7:3의 비율, 다시 말해서 PLA 미분말 70중량%와 SUS304 미분말 30중량%의 혼합하는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 두 재료의 혼합은 회전 혼합기에서 200rpm으로 100시간 동안 혼합하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 필라멘트 원료 혼합 단계(S200)에서 마련된 필라멘트 원료 혼합물을 용융 압출하여 소정 직경의 3D프린트 필라멘트를 형성시키는 필라멘트 형성 단계(S300)는, 공지의 압출기를 이용하되 소정 직경을 갖는 필라멘트 형성을 위한 압출기를 이용하여 210℃의 온도에서 압출하여 형성할 수 있다.
본 발명의 발명자는 상기한 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법을 통해 제작된 3D 프린트용 필라멘트에 있어서 필라멘트에서 각 재료의 분포를 확인하였고, 각 공정(혼합 공정과 압출 공정)을 거치는 과정에서 금속 재료인 SUS304의 산화 여부에 대하여 실험을 통해 확인하였다.
시편 제작
본 발명의 발명자는 수지 재료인 PLA와 금속 재료인 SUS304를 볼 밀링법을 이용하여 제조하였고, PLA 미분말과 SUS304를 각각 70중량%와 30중량%의 비율로 하여 혼합기에서 200rpm으로 100시간 동안의 혼합 조건으로 혼합한 후, 압출기를 통해 210℃의 온도로 압출하여 필라멘트 시편을 제작하였다.
시편 특성 분석
도 2는 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 필라멘트의 시제작을 위하여 볼밀링되어 마련된 SUS304 분말을 전자현미경으로 촬영한 사진이고, 도 3은 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 필라멘트의 시제작을 위하여 마련된 PLA 수지를 촬영한 사진이고, 도 4는 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 시제작된 필라멘트 시편(A) 및 절단면(B)을 촬영한 사진이다. 도 5는 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 시제작된 필라멘트 시편을 전자현미경으로 촬영(500배 확대)한 사진이고, 도 6은 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 시제작된 필라멘트 시편의 절단면을 전자현미경으로 촬영(500배 확대)한 사진이고, 도 7은 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 시제작된 필라멘트 시편에서 SUS304의 면분석을 위해 촬영한 전자현미경 사진이다.
본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법으로 제작된 필라멘트는, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 검은색으로 나타나는 부분은 PLA이고, 흰색 부분은 SUS304의 분말을 나타내는 것으로 SUS304분말이 골고루 퍼져있는 것을 확인할 수 있었으며, 빨간색으로 표시된 부분은 SUS304의 분말로서, 시편에서 SUS304의 밀도는 19.5g/cm3이었다.
또한, 본 발명의 발명자는 혼합공정과 압출공정 중 SUS304의 산화 여부를 확인하기 위해 X-ray 회절 시험을 실시하였고, 도 8은 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에서 시제작된 필라멘트 시편을 연마한 후 X-ray 회절 시험을 통해 얻은 데이터를 나타낸 그래프로서, SUS304와 PLA의 고유의 피크를 형성하고 있어 산화가 이루어지지 않았음을 확인하였다.
한편, 도 9는 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법으로 제작된 필라멘트를 이용하여 무선충전기용 케이스를 제작하기 위한 금형 코어의 시제작품을 촬영한 사진으로서, 3D프린트로 용이하게 제작할 수 있음을 확인하였다.
한편, 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법은 원료 마련단계에서 원료로서 금속 재료 대신에 고분자 특수 소재를 이용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법 및 이에 의해 제조된 금형에 따르면, FDM 방식의 3D 프린트에 효율적으로 적용될 수 있고, 생산 속도를 향상시킬 수 있으며, 정밀하며 연마성이 뛰어난 3D 제작물의 제작이 가능하고, 자재 낭비를 최소화하여 경제성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
상기한 바와 같은 실시 예들은 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S100: 필라멘트 원료 마련 단계
S200: 필라멘트 원료 혼합 단계
S300: 필라멘트 형성 단계

Claims (4)

  1. FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린트에 이용되는 필라멘트의 제조 방법에 있어서,
    필라멘트의 원료로서 금속 재료와 수지 재료를 마련하는 필라멘트 원료 마련 단계;
    상기 필라멘트 원료 마련 단계에서 마련된 금속 재료와 수지 재료를 소정 혼합 비율로 혼합하여 필라멘트 원료 혼합물을 마련하는 필라멘트 원료 혼합 단계; 및
    상기 필라멘트 원료 혼합 단계에서 마련된 필라멘트 원료 혼합물을 압출하여 소정 직경의 3D프린트 필라멘트를 형성시키는 필라멘트 형성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    3D 프린트용 필라멘트 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필라멘트 원료 마련 단계에서 마련되는 필라멘트 원료 중 금속 재료는 스레인레스이며, 수지 재료는 친환경 수지인 것을 특징으로 하는
    3D 프린트용 필라멘트 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 필라멘트 원료 혼합 단계는 상기 스레인레스로서 SUS304 분말과 친환경수지로서 PLA(Poly Lactic Acid) 분말을 7:3의 비율로 혼합하며,
    상기 필라멘트 형성 단계는 혼합된 혼합물을 210℃의 온도에서 압출하여 형성하는 것을 특징으로 하는
    3D 프린트용 필라멘트 제조 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 따른 3D 프린트용 필라멘트 제조 방법에 의해 제조된 3D 프린트용 필라멘트.
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