KR20210049867A

KR20210049867A - 3차원 물체를 제조하기 위한 3d 프린팅 시스템

Info

Publication number: KR20210049867A
Application number: KR1020217008650A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 쉴즈; 다니엘르 타마로; 울라 트롬스도르프; 클라우디오 워커
Original assignee: 술저 매니지멘트 에이지
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2021-05-06
Also published as: US20210331389A1; JP2022539929A; BR112021003481A2; EP3616876A1; MX2021002211A; EP3820667C0; WO2020043660A1; JP7282162B2; EP3820667A1; CN112888542A; CN112888542B; CA3110940A1; EP3820667B1; TW202023796A

Abstract

본 발명은 적어도 부분적으로 팽창 중합체로 제조되는 3차원 물체를 제조하기 위한 3차원 프린팅 시스템으로서,
i) 팽창성 중합체 용융물을 제조하고 팽창성이거나 팽창하거나 또는 팽창된 중합체의 스트랜드를 표면 상에 퇴적하기 위한 프린팅 장치(10), 및
ii) 3차원 매트릭스 내의 정확한 위치에 미리 정해진 시간에 팽창성이거나 팽창하거나 또는 팽창된 중합체의 스트랜드를 퇴적할 수 있도록 미리 정의된 3차원 매트릭스에서 프린팅 장치의 위치를 조정하기 위한 3차원 이동 장치를 포함하고,
상기 프린팅 장치는
a) 프린팅 장치의 상류 단부에 있는 공급 섹션(16),
b) 가열 섹션(20),
c) 가압 섹션(22),
d) 발포제 공급 라인(26),
e) 혼합 섹션(24),
f) 냉각 섹션(28) 및
g) 팽창성이거나 팽창하거나 또는 팽창된 중합체의 스트랜드를 표면 상에 퇴적하기 위한 다이를 포함하는 프린팅 장치의 하류 단부에 있는 말단 프린팅 헤드 섹션(30)을 포함하며,
상기 혼합 섹션 e) 및 상기 냉각 섹션 f)는 공급 섹션 a), 가열 섹션 b) 및 가압 섹션 c)의 하류에 배열되고, 상기 발포제 공급 라인 d)는 가압 섹션 c), 혼합 섹션 e) 및 냉각 섹션 f) 중 하나 이상과 연결되는 하나 이상의 배출 단부(들)를 갖는, 3차원 프린팅 시스템에 관한 것이다.

Description

3차원 물체를 제조하기 위한 3D 프린팅 시스템

본 발명은 적어도 부분적으로 폴리스티렌 발포체(foam)와 같은 팽창(expanded) 중합체로 제조되는 3차원 물체를 제조하기 위한 3차원 프린팅 시스템, 및 적어도 부분적으로 팽창 중합체로 제조되는 3차원 물체의 제조 방법에 관한 것이다.

팽창 중합체, 즉 중합체 발포체는 낮은 밀도를 특징으로 하는 셀형(cellular) 구조물이다. 발포체는 폐쇄 셀(cell) 발포체, 개방 셀 발포체, 혼합 셀 발포체 및 일체형 발포체로 분류된다. 폐쇄 셀 발포체는 솔리드(solid) 중합체 재료로 완전히 둘러싸이고 기체로 채워진 셀을 포함하는 한편, 개방 셀 발포체의 셀은 솔리드 중합체 재료로 완전히 둘러싸이지 않아 서로 연결된다. 이로 인해, 개방 셀 발포체는 물과 같은 액체를 흡수할 수 있는 반면, 폐쇄 셀 발포체는 그렇지 않다. 혼합 셀형 발포체는 개방 셀과 폐쇄 셀을 포함하는 반면, 일체형 발포체는 두꺼운 비-셀형 또는 적어도 본질적으로 비-셀형 외벽 및 그 사이의 셀형 코어를 가지며, 여기서 밀도는 본질적으로 외벽에서 내부 코어까지 지속적으로 감소한다.

발포체는 쉽게 형성 가능하고 낮은 인장 강도를 가지고 높은 방음 특성을 가지며, 또한 낮은 열 전도성을 특징으로 한다. 이러한 특성으로 인해 발포체는 쉽게 작업 가능하며 다양한 상업적 영역에 적용된다. 예를 들어, 폴리스티렌 또는 폴리우레탄으로 제조되는 것과 같은 폐쇄 셀 발포체는 여러 산업 분야에서 단열재, 예를 들어 빌딩 단열재로서 사용된다. 발포체의 상업적 적용을 위한 다른 예로는 방음재, 쿠션, 매트리스, 매트 및 스폰지가 있다.

발포체는 거의 모든 상업적으로 이용 가능한 중합체, 예컨대 에틸렌-비닐 아세테이트, 폴리에틸렌, 니트릴 고무, 아크릴로 니트릴과 부타디엔의 공중합체, 폴리클로로프렌, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리우레탄, 폴리락트산 및 폴리비닐 클로라이드로 제조될 수 있다.

발포체 물품을 제조하기 위한 여러 방법이 알려져 있다. 따라서 하나의 예는 직접 사출 팽창된 발포 성형 공정이며, 여기에서는 발포제를 포함하는 가압된 중합체 용융물이 노즐을 통해 몰드 내로 주입된다. 가압된 중합체 용융물의 압력보다 낮은 압력이 존재하는 몰드에서는, 발포제가 팽창하여 원하는 형상의 중합체 발포체를 형성한다. 다른 예는 이산화탄소와 같은 발포제를 사용하여 상승된 온도에서 압력 하에 오클레이브에서 중합체 과립을 배양한 후에, 압력을 방출하고 온도를 낮추어 과립을 발포 비드(bead)로 발포하는 것이다. 그 다음, 이러한 발포 비드는 몰드에 주입된 후에, 그 안에서 압력 및 증기의 적용에 의해 발포 비드가 원하는 형상으로 열 융합될 수 있다. 따라서, 또 다른 예는 중합체 용융물을 포함하는 가압된 발포제를 다이 플레이트(die plate)의 다이를 통해 압출하고, 수중 과립기에서 다이 바로 뒤의 중합체 용융 스트랜드를 과립화하며, 여기서 중합체 용융물은 중합체 스트랜드의 팽창을 방지하도록 압력 하에 냉각시킴으로써 팽창성(expandable) 중합체 비드를 형성하는 것이다. 그 다음, 팽창성 중합체 비드는 발포되고 몰드에서 원하는 형상을 갖는 물품으로 융합될 수 있다.

최근에는 3차원(3D) 프린팅을 사용하여 발포 물품을 제조하는 것이 제안되었다. 이것은 힘들고 제조 비용이 비싼 몰딩이 필요하지 않다는 장점을 갖는다. 또한 3D 프린팅은 빠르고 공정 중에 재료를 변경할 수 있으며 단지 매우 적은 양의 폐기물을 생성한다.

CN 106493968 A는 3D 프린팅을 기반으로 발포 제품을 제조하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 장치는 몰딩 유닛으로서의 3D 프린터, 초임계 침투 유닛 및 발포 유닛을 포함한다. 초임계 침투 유닛은 예열기, 부스터 펌프, 이산화탄소 저장 탱크 및 침투 용기를 포함하는 한편, 발포 유닛은 주로 증기 발생기, 발포 박스 및 커버 플레이트로 구성된다. 방법은 다음의 단계를 포함한다: 첫째, 3D 프린터를 통해 중합체 용융물의 3차원 모델을 프린팅하는 단계; 둘째, 형성된 3차원 모델을 초임계 침투 유닛의 침투 용기에 넣고 초임계 이산화탄소를 침투시키는 단계; 및 셋째, 발포 박스에서 3차원 모델의 증기 발포를 수행하여 발포 제품을 얻는 단계. 그러나, 이 방법에는 몇 가지 단점이 있다. 우선, 발포 섹션 및 비발포 섹션을 포함하는 하이브리드 제품을 제조할 수 없다. 오히려, 이 방법은 완전히 그리고 균일하게 발포된 물품만을 제조할 수 있다. 또한, 이 방법으로 제조되는 발포 제품의 발포 구조 및 밀도는 만족스럽게 제어될 수 없다.

이를 고려하여, 본 발명의 기반이 되는 목적은 적어도 부분적으로 팽창 중합체로 제조되는 3차원 물체를 제조하기 위한 3D 프린팅 시스템 및 방법으로서, 보다 유연하고 특히 발포 제품의 발포 구조 및 밀도를 제어할 수 있으며 발포 섹션 및 비발포 섹션을 포함하는 하이브리드 물품을 제조할 수 있는 3D 프린팅 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 적어도 부분적으로 팽창 중합체로 제조되는 3차원 물체를 제조하기 위한 3D 프린팅 시스템으로서,

i) 팽창성 중합체 용융물을 제조하고 팽창성이거나 팽창하거나 또는 팽창된 중합체의 스트랜드(strand)를 표면 상에 퇴적(deposit)하기 위한 프린팅 장치, 및

ii) 3차원 매트릭스 내의 정확한 위치에 미리 정해진 시간에 팽창성이거나 팽창하거나 또는 팽창된 중합체의 스트랜드를 퇴적할 수 있도록 미리 정의된 3차원 매트릭스에서 프린팅 장치의 위치를 조정하기 위한 3차원 이동 장치를 포함하고,

상기 프린팅 장치는

a) 프린팅 장치의 상류 단부에 있는 공급 섹션,

b) 가열 섹션,

c) 가압 섹션,

d) 발포제 공급 라인,

e) 혼합 섹션,

f) 냉각 섹션 및

g) 팽창성이거나 팽창하거나 또는 팽창된 중합체의 스트랜드를 표면 상에 퇴적하기 위한 다이를 포함하는 프린팅 장치의 하류 단부에 있는 말단(terminal) 프린팅 헤드 섹션을 포함하며,

상기 혼합 섹션 e) 및 상기 냉각 섹션 f)는 공급 섹션 a), 가열 섹션 b) 및 가압 섹션 c)의 하류에 배열되고, 상기 발포제 공급 라인 d)는 가압 섹션 c), 혼합 섹션 e) 및 냉각 섹션 f) 중 하나 이상과 연결되는 하나 이상의 배출 단부(들)를 갖는 3D 프린팅 시스템을 제공함으로써 만족된다.

본 발명에 따른 3D 프린팅 시스템은 표적 표면 상에 중합체 스트랜드 - 이는 후속적으로 발포제와 함께 주입된 다음 발포되어야 함 - 를 퇴적시키지 않는다. 오히려, 본 발명에 따른 3D 프린팅 시스템은 발포제를 포함하는 중합체 혼합물의 스트랜드를 표적 표면 상에 퇴적시킨다. 프린팅 장치의 공급 섹션 a)에 공급된 후, 중합체는 가열 섹션 b)에서 용융되고 가압 섹션 c)에서 가압되며, 그 후, 발포제가 발포제 공급 라인 d)를 통해 가압된 중합체 용융물 내로 주입된다. 적용된 압력으로 인해, 이렇게 형성된 팽창성이고 가압된 중합체 용융물은 프린팅 장치의 이 섹션에서 각각 팽창되거나 발포되지 않는다. 이어서, 팽창성이고 가압된 중합체 용융물은 혼합되고 냉각된 후, 이를 프린팅 장치의 말단 프린팅 헤드 섹션의 다이를 통해 가압함으로써 타겟 표면 상에 퇴적된다. 무엇보다도, 프린팅 장치에서 조정된 혼합물의 유량 및 냉각 섹션에서 조정된 온도에 따라, 팽창성 중합체, 팽창하는 중합체 또는 팽창된 중합체의 스트랜드가 표적 표면 상에 퇴적된다. 혼합물의 온도가 말단 프린팅 헤드 섹션에서 충분히 낮은 경우, 혼합물은 프린팅 장치 외부의 주변 온도에 노출될 때 말단 프린팅 헤드 섹션을 떠난 후에 각각 단지 팽창되거나 발포될 것이어서, 팽창성 중합체, 즉 비팽창된 중합체의 스트랜드가 퇴적되고, 이것은 표면 상에 퇴적 동안 또는 그 직후에 팽창된다. 그러나, 말단 프린팅 헤드 섹션에서의 혼합물 온도가 더 높은 경우, 혼합물은 말단 프린팅 헤드 섹션을 떠날 때(팽창되는 중합체의 스트랜드가 퇴적되도록) 또는 심지어 말단 프린팅 헤드 섹션을 떠나기 전에(이미 팽창된 중합체의 스트랜드가 퇴적되도록) 각각 이미 팽창되거나 발포될 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 3D 프린팅 시스템은 이와 관련하여 매우 유연하다. 또한, 본 발명에 따른 3D 프린팅 시스템은 프린팅 장치에서 발포제를 포함하는 중합체 혼합물에서의 발포제의 농도를 변경할 수 있고, 냉각 섹션의 온도를 변경함으로써 프린팅 장치에서의 혼합물의 온도를 변경할 수 있고, 프린팅 장치를 통해 혼합물의 유량을 변경할 수 있으며, 시간이 지남에 따라 프린팅 장치 내로 공급되는 중합체의 종류를 변경할 수 있다. 이러한 이유 때문에, 본 발명에 따른 3D 프린팅 시스템은 임의로 발포된 제품의 발포 구조 및 밀도를 제어할 수 있다. 또한, 중합체 용융물 내로 발포제의 첨가를 일시적으로 중단함으로써 발포 섹션 및 비발포 섹션을 포함하는 하이브리드 물품을 제조할 수 있다. 대체로, 본 발명은 적어도 부분적으로 팽창 중합체로 제조되는 3차원 물체를 제조하기 위한 3D 프린팅 시스템 및 방법으로서, 보다 유연하고 특히 발포 제품의 발포 구조 및 밀도를 제어할 수 있으며 발포 섹션 및 비발포 섹션을 포함하는 하이브리드 물품을 제조할 수 있는 3D 프린팅 시스템 및 방법을 제공한다.

원칙적으로, 본 발명은 프린팅 장치의 형태 및 그의 섹션에 관하여 특별히 제한되지 않는다. 따라서, 섹션들 중 하나 이상은 예를 들어 정사각형, 직사각형, 타원 또는 원형 단면을 가질 수 있으며, 여기서 단일 섹션의 치수는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 공급 섹션 a), 가열 섹션 b), 혼합 섹션 e) 및 냉각 섹션 f) 중 하나 이상이 원형 단면을 가지고 따라서 관형(3차원적으로 보임)일 때, 특히 양호한 결과가 얻어진다. 각각의 섹션은 예를 들어 1 내지 10 mm 또는 2 내지 4 mm의 동일한 내부 직경 또는 상이한 내부 직경을 가질 수 있다. 보다 바람직하게는, 적어도 공급 섹션 a), 가열 섹션 b), 혼합 섹션 e) 및 냉각 섹션 f)의 모두는 동일한 내부 직경 - 이는 바람직하게는 1 내지 10 mm, 보다 바람직하게는 2 내지 4 mm임 - 을 갖는 관형 섹션이다.

또한, 혼합 섹션 e) 및 냉각 섹션 f)가 공급 섹션 a), 가열 섹션 b) 및 가압 섹션 c)의 하류에 배열되는 한, 그리고 발포제 공급 라인 d)가 가압 섹션 c), 혼합 섹션 e) 및 냉각 섹션 f) 중 하나 이상과 연결되는 하나 이상의 배출 단부(들)를 갖는 한, 본 발명은 원칙적으로 프린팅 장치의 단일 섹션의 순서와 관련하여 특별히 제한되지 않는다. 이와 관련하여 섹션은 길이방향 세그먼트, 즉 프린팅 장치의 길이 방향으로 연장되는 세그먼트를 나타낸다.

본 발명의 특정 바람직한 실시형태에 따르면, 섹션 a) 내지 c) 및 e) 내지 g)는 프린팅 장치의 상류 단부에서 하류 단부까지 이 순서로 배열된다.

대안적으로, 섹션 a) 내지 c) 및 e) 내지 g)는 프린팅 장치의 상류 단부에서 하류 단부까지 다음의 순서대로 배열된다: 공급 섹션 a), 다음에 가압 섹션 c), 다음에 가열 섹션 b), 다음에 혼합 섹션 e), 다음에 냉각 섹션 f), 다음에 말단 프린팅 헤드 섹션 g).

본 발명의 여전히 대안적인 실시형태에 따르면, 섹션 a) 내지 c)는 하나의 섹션으로 결합되는데, 즉 공급 섹션 a)는 또한 가열 섹션 b) 및 가압 섹션 c)가 되도록 구현된다. 그 다음, 이러한 결합된 섹션 a), b), c)의 하류에 혼합 섹션 e)가 뒤따르고, 그 다음에 냉각 섹션 f), 다음에 말단 프린팅 헤드 섹션 g)가 뒤따른다.

여전히 대안적으로, 섹션 e) 및 f)는 하나의 섹션으로 결합되는데, 즉 혼합 섹션 e)는 또한 냉각 섹션 f)가 되도록 구현된다. 이 실시형태는 전술한 실시형태와 호환되는데, 그에 따르면, 섹션 a) 내지 c)는 하나의 섹션으로 조합되어, 본 발명의 이러한 실시형태의 프린팅 장치는 결합된 공급, 가열 및 가압 섹션 a), b), c) 및 그 하류의 결합된 혼합 및 냉각 섹션 e), f)를 포함한다. 대안적으로, 섹션 a), b) 및 c)는 상이할 수 있어, 프린팅 장치는 상류 공급 섹션 a), 하류 가열 섹션 b), 하류 가압 섹션 c), 그 하류의 결합된 혼합 및 냉각 섹션 e), f) 및 그 하류의 말단 프린팅 헤드 섹션 g)를 포함한다.

공급 섹션 a)는 가장 간단한 실시형태에서 파이프의 관형 단부 섹션이다.

가열 섹션을 형성하기 위해, 프린팅 장치의 각 섹션에는 파이프에 존재하는 중합체를 가열하여 용융시킬 수 있는 임의의 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, 프린팅 장치의 각 섹션에는 펠티에(Peltier) 요소 또는 저항 히터와 같은 능동(active) 가열 요소 또는 열 교환기가 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 펠티에 요소, 저항 히터 또는 열 교환기가 가열 섹션의 외벽에 제공될 수 있으며, 이는 프린팅 장치의 가열 섹션 b)가 관형 섹션이어서 펠티에 요소, 저항 히터 또는 열 교환기가 튜브의 외벽에 제공되는 경우에 특히 바람직하다.

본 발명의 아이디어의 추가 개발에서 공급 섹션 a)와 가열 섹션 b) 사이에 냉각 섹션을 배열하는 것이 제안된다. 이는 하류 가열 섹션 b)에서 중합체로 전달된 열로 인해 중합체가 공급 섹션 a)에서 용융되는 것을 확실하게 방지할 수 있도록 한다. 냉각 섹션은 튜브를 포함하는 관형 섹션일 수 있으며, 여기서 펠티에 요소, 열 교환기 또는 바람직하게는 냉각 핀이 튜브의 외벽에 제공된다.

또한 가압 섹션 c)와 관련하여 본 발명은 특별히 제한되지 않는다. 따라서, 가압 섹션 c)는 고체의 형태(가열 섹션 b)가 가압 섹션 c)의 하류에 있는 경우) 또는 바람직하게는 용융물의 형태(가열 섹션 b)가 가압 섹션 c)의 상류에 있는 경우)로 파이프에 존재하는 중합체를 가압할 수 있는 임의의 수단에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는, 가압 섹션 c)는 피스톤 압축기, 스크류 압축기 또는 기어 압축기를 포함한다. 가압 섹션 c)가 가열 섹션 b)의 하류에 배열되는 경우, 가압 섹션 c)는 가압 섹션 c)를 통해 흐르는 중합체 용융물이 고화되는 것을 방지하기 위해 가열 요소를 포함하는 것이 더 바람직하다. 가압 섹션 c)에 제공되는 가열 요소는 펠티에 요소, 저항 히터 또는 열 교환기일 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 발포제 공급 라인 d)는 가압 섹션 c), 혼합 섹션 e) 및 냉각 섹션 f) 중 하나 이상과 연결되는 하나 이상의 배출 단부(들)를 갖는다. 따라서, 발포제 공급 라인 d)는 3개의 배출 단부를 포함할 수 있는데, 그 중 하나는 가압 섹션 c)와 연결되고, 다른 하나는 혼합 섹션 e)와 연결되고, 또 다른 하나는 냉각 섹션 f)와 연결된다. 대안적으로, 발포제 공급 라인 d)는 2개의 배출 단부를 포함할 수 있는데, 그 중 하나는 혼합 섹션 e)와 연결되고 다른 하나는 냉각 섹션 f)와 연결된다. 여전히 대안적으로 그리고 실제로 바람직하게는, 발포제 공급 라인 d)는 혼합 섹션 e), 더욱 바람직하게는 혼합 섹션 e)의 상류 부분과 연결되는 하나의 배출 단부를 포함한다. 후자의 실시형태는 혼합 섹션 e)가 냉각 섹션 f)의 상류에 배열될 때 특히 바람직하다. 냉각 섹션 f)가 혼합 섹션 e)의 상류에 배열되는 경우, 발포제 공급 라인 d)는 냉각 섹션 f)와 연결되는 하나의 배출 단부를 가질 수 있다.

본 발명의 아이디어의 추가 개발에서 혼합 섹션 e)가 하나 이상의 정적(static) 혼합기를 포함하는 것이 제안된다. 원칙적으로 압출기 또는 니더(kneader)와 같은 동적 혼합기가 또한 사용될 수 있지만, 실제로는 하나 이상의 정적 혼합기를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 이동 또는 회전 요소가 동적 혼합기의 필수 구성요소이어서 부재하기 때문에 바람직하다. 그 때문에 유지 관리가 덜 필요하다. 더욱이, 정적 혼합기는 내부 직경이 1 내지 10 mm, 바람직하게는 2 내지 4 mm인 튜브 내로 통합될 수 있도록 충분히 작게 구현될 수 있다.

냉각 섹션 f)는 예를 들어 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 원형 단면을 가질 수 있다. 그러나, 냉각 섹션 f)는 튜브를 포함하는 관형 섹션인 것이 바람직하며, 여기서 펠티에 요소, 열 교환기 또는 냉각 핀이 튜브의 외벽에 제공된다. 보다 바람직하게는 관형 냉각 섹션 f)의 내부 직경은 1 내지 10 mm, 특히 바람직하게는 2 내지 4 mm이다.

본 발명의 다른 특히 바람직한 실시형태에 따르면, 프린팅 헤드 섹션 g)는 테이퍼화된(tapered) 관형 섹션이고, 여기서 프린팅 헤드 섹션 g)의 하류 부분은 다이를 형성하도록 테이퍼화된다. 바람직하게는, 프린팅 헤드 섹션 g)의 상류 부분은 공급 섹션 a), 가열 섹션 b), 혼합 섹션 e) 및 냉각 섹션 f) 중 적어도 하나와 동일한 내부 직경을 가지며, 보자 바람직하게는, 공급 섹션 a), 가열 섹션 b), 혼합 섹션 e) 및 냉각 섹션 f)의 모두와 바람직하게는 동일한 내부 직경을 갖는다. 다이는 바람직하게는 0.1 내지 1.0 mm, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.5 mm의 내부 직경을 갖는다.

다른 양태에 따르면, 본 발명은 적어도 부분적으로 팽창 중합체로 제조되는 3차원 물체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 방법은 전술한 3차원 프린팅 시스템에서 수행된다.

바람직하게는, 본 방법은 다음 단계를 포함한다:

a) 중합체 용융물을 얻기 위해 중합체를 용융시키는 단계,

b) 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 중합체 용융물을 가압하는 단계,

c) 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 가압된 중합체 용융물 내로 적어도 하나의 발포제를 투여하는 단계,

d) 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 적어도 하나의 혼합기를 통과시킴으로써, 바람직하게는 적어도 하나의 정적 혼합기를 통과시킴으로써 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 균질화하는 단계,

e) 냉각되고 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 혼합물을 얻기 위해 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 냉각하는 단계, 및

f) 프린팅 장치의 다이를 통해 압출함으로써 냉각되고 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 혼합물을 형상화, 퇴적 및 발포시키는 단계.

대안적인 실시형태에서는, 전술한 단계들의 순서가 변경된다. 예를 들어, 단계 a) 및 b)는 결합된 공급, 가열 및 가압 섹션 a), b), c)를 통해 중합체를 압출함으로써 동시에 수행될 수 있다.

또한 단계 d) 및 e)는 결합된 혼합 및 냉각 섹션 e), f)를 통해 팽창성이고 가압된 중합체 용융물 중합체를 압출함으로써 동시에 수행될 수 있다.

전술한 두 실시형태는 결합되어, 결합된 공급, 가열 및 가압 섹션 a), b), c)를 통해 중합체를 압출함으로써 단계 a) 및 b)가 동시에 수행되고 결합된 혼합 및 냉각 섹션 e), f)를 통해 팽창성이고 가압된 중합체 용융물 중합체를 압출함으로써 단계 d) 및 e)가 동시에 수행될 수 있다. 이 실시형태에서, 본 방법은 i) 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 중합체를 용융 및 가압하는 단계, ii) 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 가압된 중합체 용융물 내로 적어도 하나의 발포제를 투여하는 단계, iii) 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 균질화 및 냉각하는 단계, 및 iv) 냉각되고 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 혼합물을 프린팅 장치의 다이를 통해 압출함으로써 형상화, 퇴적 및 발포하는 단계를 포함한다.

여전히 대안적인 실시형태에서, 단계 a) 내지 f)를 포함하는 전술한 실시형태에서, 단계 b)는 가압된 중합체가 용융되기 전에 먼저 중합체가 가압되도록 단계 a) 전에 수행될 수 있다.

여전히 대안적인 실시형태에서, 단계 a) 내지 f)를 포함하는 전술한 실시형태에서, 단계 be)는 냉각되고 팽창성이고 가압된 중합체 용융물이 혼합되기 전에 먼저 팽창성이고 가압된 중합체 용융물이 냉각되도록 단계 d) 전에 수행될 수 있다.

전술한 두 실시형태가 결합되어 본 방법은 다음 단계를 포함할 수 있다:

a) 가압된 중합체를 얻기 위해 중합체를 가압하는 단계,

b) 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 가압된 중합체를 용융시키는 단계,

d) 냉각되고 팽창성이고 가압된 중합체 혼합물을 얻기 위해 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 냉각시키는 단계,

e) 냉각되고 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 혼합물을 얻기 위해 적어도 하나의 혼합기를 통과시킴으로써, 바람직하게는 적어도 하나의 정적 혼합기를 통과시킴으로써 냉각되고 팽창성이고 가압된 중합체 혼합물을 균질화하는 단계,

팽창 중에 발포제에 의해 형성되는 거품의 크기를 조정하기 위해, 본 발명의 아이디어의 추가 개발에서 적어도 하나의 핵형성제를 중합체에 첨가하는 것이 제안되며, 여기서 적어도 하나의 핵형성제는 바람직하게는 용융 단계 a) 이전 및/또는 용융 단계 a) 이후, 그러나 균질화 단계 e) 이전에 첨가된다.

핵형성제는 활석, 왁스, 흑연, 벤토나이트, 및 상기 화합물들 중 2개 이상의 임의의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되면 특히 좋은 결과가 얻어진다.

본 발명은 임의의 발포성 중합체로 수행될 수 있다. 따라서 적합한 예는 열가소성 폴리우레탄, 폴리올레핀(예컨대 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌), 폴리에스테르(예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트), 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체, 에틸렌 부틸 아크릴레이트 공중합체, 폴리스티렌, 폴리락트산, 열가소성 엘라스토머, 니트릴 고무, 아크릴로니트릴과 부타디엔의 공중합체, 폴리클로로프렌, 폴리이미드, 폴리비닐 클로라이드 및 상기 중합체들 중 2개 이상의 임의의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 중합체이다.

중합체는 임의의 형태, 예컨대 특히 중합체 용융물, 중합체 과립, 중합체 펠릿, 중합체 필라멘트 또는 중합체 와이어의 형태로 프린팅 장치의 공급 섹션 a)에 각각 들어갈 수 있다.

본 발명은 하나 이상의 화학적 발포제로 수행될 수 있더라도, 본 발명에 따른 방법에 사용되는 발포제는 물리적 발포제인 것이 특히 바람직하다. 물리적 발포제의 바람직한 예는 이산화탄소, 질소, 물, 시클로펜탄, 이소부탄, 펜탄 및 상기 화합물들 중 2개 이상의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것들이다.

적용되는 중합체의 종류에 따라, 단계 c)에서 얻은 팽창성이고 가압된 중합체 용융물은 60 내지 270℃의 온도를 가질 수 있으며 2 내지 50 MPa로 가압된다.

예를 들어, 중합체가 열가소성 폴리우레탄인 경우, 단계 c)에서 수득된 팽창성이고 가압된 중합체 용융물은 바람직하게는 100 내지 180℃의 온도를 가지며 2 내지 50 MPa로 가압된다.

그러나 중합체가 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀인 경우, 단계 c)에서 얻은 팽창성이고 가압된 중합체 용융물은 60 내지 120℃의 온도를 가지고 2 내지 50 MPa로 가압되는 것이 바람직하다.

추가의 양태에 따르면, 본 발명은 전술한 방법으로 얻을 수 있는 3차원 물체에 관한 것이다. 3차원 물체는 특히 방음재, 쿠션, 매트리스, 매트, 스폰지, 신발 밑창, 운동화, 보호 장비, 지지 구조물 또는 충전 구조물일 수 있다.

본 발명에 따른 특정 실시형태는 이어서 첨부된 도 1을 참조하여 설명된다.
도면 중:
도 1은 본 발명의 하나의 예시적인 실시형태에 따라 적어도 부분적으로 팽창 중합체로 제조되는 3차원 물체를 제조하기 위해 팽창성 중합체 용융물을 제조하고 3D 프린팅 시스템의 표면 상에 팽창성이거나 팽창하거나 또는 팽창된 중합체의 스트랜드를 퇴적하기 위한 프린팅 장치의 개략적인 단면을 보여준다.
도 2는 실시예 1에서 얻은 PET의 정사각형 단층을 보여준다.
도 3은 실시예 2에서 얻은 2개의 PET 큐브를 보여준다.
도 4는 실시예 2에서 프린팅 노즐을 통해 압출된 스트랜드의 확대 사진을 보여준다.

도 1에 도시된 프린팅 장치(10)는 그 상류 단부(12)에서 하류 단부(14)까지 다음 섹션들을 이 순서로:

i) 공급 섹션(16),

ii) 냉각 섹션(18),

iii) 가열 섹션(20),

iv) 가압 섹션(22),

v) 혼합 섹션(24),

vi) 냉각 섹션(28) 및

vii) 팽창성이거나 팽창하거나 또는 팽창된 중합체의 스트랜드를 표면 상에 퇴적하기 위한 다이(32)를 포함하는 프린팅 장치의 하류 단부에 있는 말단 프린팅 헤드 섹션(30)을 포함하며,

배출 단부를 갖는 발포제 공급 라인(26)이 제공되며, 이는 혼합 섹션(24)의 상부와 연결된다.

공급 섹션(16)은 프린팅 장치(10)의 상류 관형 단부 섹션인 반면, 냉각 섹션(18)은 그 외벽에 제공된 관형 섹션으로서 구현되며 냉각 핀을 갖는다. 가열 섹션(20)은 외부 튜브 벽에 펠티에 요소를 포함하는 관형 섹션인 반면, 가압 섹션(22)은 스크류 압축기를 포함한다. 혼합 섹션(24)은 정적 혼합기를 포함하는 관형 섹션인 반면, 냉각 섹션(28)은 관형 섹션이고, 그 외벽에는 펠티에 요소가 제공된다.

작동 중에, 적어도 부분적으로 팽창 중합체로 제조되는 3차원 물체를 제조하는 방법이 수행되며, 이는 다음 단계를 포함한다:

i) 중합체를 공급 섹션(16) 내로 공급하는 단계,

ii) 공급 섹션(16)에서 사전 용융을 피하기 위해 냉각 섹션(18)에서 중합체를 냉각하는 단계,

iii) 중합체 용융물을 얻기 위해 가열 섹션(20)에서 중합체를 용융시키는 단계,

iv) 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 가압 섹션(22)에서 중합체 용융물을 가압하는 단계,

v) 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 가스 공급 라인(26)을 통해 혼합 섹션(24)의 상류 부분에 있는 가압된 중합체 용융물 내로 적어도 하나의 발포제를 투여하는 단계,

vi) 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 혼합 섹션(24)에 제공된 혼합기를 통과시킴으로써 균질화하는 단계,

vii) 냉각되고 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 혼합물을 얻기 위해 냉각 섹션(28)에서 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 냉각하는 단계, 및

viii) 프린팅 장치(10)의 프린팅 헤드 섹션(30)의 다이(32)를 통해 압출함으로써 냉각되고 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 혼합물을 형상화, 퇴적 및 발포시키는 단계.

이어서, 본 발명은 비제한적인 실시예에 의해 추가로 예시된다.

실시예 1

3D 프린터의 핫 단부(프린팅 헤드)는 본 특허출원의 청구항 1에 따라 구성되어 용융된 중합체 내로 발포제를 직접 가용화시켰다. 용융 섹션의 내부 직경은 1.7 mm였다. 발포제는 HPLC 펌프에 의해 발포제 공급 라인으로 펌핑되었다. 용융된 중합체와 발포제의 혼합물은 정적 혼합기(SMX DN3의 4개 요소)를 통과했고, 여기서 발포제는 중합체와 균질화되었다. 마지막으로, 함침된 용융물은 표준 0.4 mm 프린팅 노즐을 통과했다. 용융 섹션 및 발포제 주입은 전기적으로 가열되는 알루미늄 블록에 의해 가열된 한편, 정적 혼합기는 가열 카트리지 없이 알루미늄 블록에 의해 냉각되었다(환경으로의 열 소산). 두 가열 블록은 동일한 온도로 가열되었다.

프린팅 조건은 다음과 같았다:

필라멘트: 3D-Printerstore.ch의 Pro Fill PET

프린팅 온도: 205℃

압출 속도: 15 mm/분(발포제와 함께 0.6배)

발포제: 아세톤(0.005 ml/분)

발포제 함량(17% w/w)

도 2는 PET의 정사각형 단층을 보여준다. 프린팅은 외부에서 내부로 진행되었는데, 즉, 스트랜드의 외부 라운드가 먼저 놓였다. 제3 라운드 동안 발포제 흐름이 시작되었고 압출 속도는 40% 감소했다. 처음 2개의 라운드의 스트랜드는 투명하고 맑았으며 다음 스트랜드는 발포제로 인한 거품을 분명히 함유하고 있다.

수행된 시험에서 발포 공정은 안정적이었으며, 중합체 필라멘트는 크기 및/또는 유량의 눈에 띄는 변화없이 시간의 함수로서 일정하게 발포되었다.

최종 물체의 치수 정밀도는 발포 공정에 의해 시각적 영향을 받지 않았다. 밀도 감소를 보상하기 위해 발포된 물체를 프린팅하는 동안 유량을 감소시켰다.

발포된 물체의 층간 양호한 접착력이 관찰되었으며, 발포된 물체를 수동으로 압착함으로써 확인될 수 있었다.

실시예 2

동일한 프린팅 노즐 이동으로 프린팅된 2개의 PET 큐브가 도 3에 도시되어 있다. 왼쪽 큐브는 발포제를 첨가하지 않고 프린팅된 한편, 오른쪽 콘(cone)은 17% 발포제로 프린팅되었고 필라멘트 압출 속도는 0.6 배 감소되었다. 발포된 큐브는 발포제없이 프린팅된 큐브보다 35% 더 가벼웠다. 위의 단층에서와 같이 스트랜드에서의 거품은 가시적이었다.

도 4는 프린팅 노즐을 통해 압출된 스트랜드의 확대 사진을 보여준다. 오른쪽에서 PET 필라멘트는 15 mm/min의 압출 속도로 발포제를 첨가하지 않고 압출되었다. 스트랜드는 맑고 균질했으며 가시적인 거품은 없었다. 왼쪽에서 PET는 9 mm/min으로 압출되고 발포제로서 아세톤이 첨가되었다. 발포제로 인해 스트랜드는 이제 거품을 함유하고 있었으며, 즉 발포되었다.

참조 부호의 목록

10 프린팅 장치

12 프린팅 장치의 상류 단부

14 프린팅 장치의 하류 단부

16 공급 섹션

18 냉각 섹션

20 가열 섹션

22 가압 섹션

24 혼합 섹션

26 발포제 공급 라인

28 냉각 섹션

30 프린팅 헤드 섹션

32 다이

Claims

적어도 부분적으로 팽창 중합체로 제조되는 3차원 물체를 제조하기 위한 3차원 프린팅 시스템으로서,
i) 팽창성 중합체 용융물을 제조하고 팽창성이거나 팽창하거나 또는 팽창된 중합체의 스트랜드를 표면 상에 퇴적하기 위한 프린팅 장치(10), 및
ii) 3차원 매트릭스 내의 정확한 위치에 미리 정해진 시간에 팽창성이거나 팽창하거나 또는 팽창된 중합체의 스트랜드를 퇴적할 수 있도록 미리 정의된 3차원 매트릭스에서 프린팅 장치(10)의 위치를 조정하기 위한 3차원 이동 장치를 포함하고,
상기 프린팅 장치(10)는
a) 프린팅 장치의 상류 단부(12)에 있는 공급 섹션(16),
b) 가열 섹션(20),
c) 가압 섹션(22),
d) 발포제 공급 라인(26),
e) 혼합 섹션(24),
f) 냉각 섹션(28) 및
g) 팽창성이거나 팽창하거나 또는 팽창된 중합체의 스트랜드를 표면 상에 퇴적하기 위한 다이(32)를 포함하는 프린팅 장치(10)의 하류 단부(14)에 있는 말단 프린팅 헤드 섹션(30)을 포함하며,
상기 혼합 섹션(24) 및 상기 냉각 섹션(28)은 공급 섹션(16), 가열 섹션(20) 및 가압 섹션(22)의 하류에 배열되고, 상기 발포제 공급 라인(26)은 가압 섹션(22), 혼합 섹션(24) 및 냉각 섹션(28) 중 하나 이상과 연결되는 하나 이상의 배출 단부(들)를 갖는, 3차원 프린팅 시스템.
제1항에 있어서, 적어도 상기 섹션(16), (20), (24) 및 (28)은 바람직하게는 1 내지 10 mm, 보다 바람직하게는 2 내지 4 mm인 동일한 내부 직경을 갖는 관형 섹션인, 3차원 프린팅 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
i) 공급 섹션(16), 가열 섹션(20), 가압 섹션(22), 혼합 섹션(24), 냉각 섹션(28) 및 프린팅 헤드(30)는 프린팅 장치(10)의 상류 단부(12)에서 하류 단부(14)까지 이 순서로 배열되거나, 또는
ii) 공급 섹션(16), 가열 섹션(20), 가압 섹션(22), 혼합 섹션(24), 냉각 섹션(28) 및 프린팅 헤드(30)는 프린팅 장치(10)의 상류 단부(12)에서 하류 단부(14)까지 공급 섹션(16), 가압 섹션(22), 가열 섹션(20), 혼합 섹션(24), 냉각 섹션(28), 프린팅 헤드 섹션(30)의 순서로 배열되거나, 또는
iii) 공급, 가열 및 가압 섹션(16), (20) 및 (22)은 하나의 섹션으로 결합되고, 이것의 다음에 혼합 섹션(24), 이것의 다음에 냉각 섹션(28), 이것의 다음에 프린팅 헤드 섹션(30)이 뒤따르는, 3차원 프린팅 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 섹션(20)은 튜브를 포함하는 관형 섹션이고, 상기 튜브의 외벽에 펠티에 요소, 저항 히터 또는 열 교환기가 제공되는, 3차원 프린팅 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가압 섹션(22)은 피스톤 압축기, 스크류 압축기 또는 기어 압축기를 포함하고, 상기 가압 섹션(22)의 벽은 바람직하게는 가열 수단을 포함하며, 이는 바람직하게는 펠티에 요소, 저항 히터 또는 열 교환기인, 3차원 프린팅 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 섹션(28)은 혼합 섹션(24)의 하류에 배열되고, 상기 발포제 공급 라인(26)은 혼합 섹션(24), 바람직하게는 혼합 섹션(24)의 상류 부분과 연결되는 하나의 배출 단부를 갖는, 3차원 프린팅 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 섹션(28)은 혼합 섹션(24)의 상류에 배열되고, 상기 발포제 공급 라인(26)은 냉각 섹션(28) 또는 혼합 섹션(24), 바람직하게는 혼합 섹션(24)의 상류 부분과 연결되는 하나의 배출 단부를 갖는, 3차원 프린팅 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프린팅 헤드 섹션(30)은 테이퍼화된 관형 섹션이고, 상기 프린팅 헤드 섹션(30)의 하류 부분은 다이(32)를 형성하도록 테이퍼화되고, 상기 프린팅 헤드 섹션(30)의 상류 부분은 바람직하게는 공급 섹션(16), 가열 섹션(29), 혼합 섹션(24) 및 냉각 섹션(28) 중 적어도 하나와 동일한 내부 직경을 갖고, 더욱 바람직하게는 공급 섹션(16), 가열 섹션(29), 혼합 섹션(24) 및 냉각 섹션(28) 모두와 동일한 내부 직경을 가지며, 상기 다이(32)는 바람직하게는 0.1 내지 1.0 mm, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.5 mm의 내부 직경을 갖는, 3차원 프린팅 시스템.
적어도 부분적으로 팽창 중합체로 제조되는 3차원 물체를 제조하는 방법으로서, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 3차원 프린팅 시스템에서 수행되는 방법.
제9항에 있어서,
a) 중합체 용융물을 얻기 위해 중합체를 용융시키는 단계,
b) 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 중합체 용융물을 가압하는 단계,
c) 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 가압된 중합체 용융물 내로 적어도 하나의 발포제를 투여하는 단계,
d) 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 얻기 위해 적어도 하나의 혼합기를 통과시킴으로써, 바람직하게는 적어도 하나의 정적 혼합기를 통과시킴으로써 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 균질화하는 단계,
e) 냉각되고 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 혼합물을 얻기 위해 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 용융물을 냉각하는 단계, 및
f) 프린팅 장치(10)의 다이(32)를 통해 압출함으로써 냉각되고 균질화되고 팽창성이고 가압된 중합체 혼합물을 형상화, 퇴적 및 발포시키는 단계를 포함하는, 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 적어도 하나의 핵형성제가 중합체에 첨가되며, 상기 적어도 하나의 핵형성제는 바람직하게는 단계 a) 이전 및/또는 단계 a) 이후, 그러나 단계 d) 이전에 첨가되는, 방법.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체는 열가소성 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체, 에틸렌 부틸 아크릴레이트 공중합체, 폴리스티렌, 폴리락트산, 열가소성 엘라스토머, 니트릴 고무, 아크릴로니트릴과 부타디엔의 공중합체, 폴리클로로프렌, 폴리이미드, 폴리비닐 클로라이드 및 상기 중합체들 중 2개 이상의 임의의 조합으로 구성된 군에서 선택되는, 방법.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발포제는 물리적 발포제이고, 바람직하게는 이산화탄소, 질소, 물, 시클로펜탄, 이소부탄, 펜탄 및 상기 화합물들 중 2개 이상의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물리적 발포제인, 방법.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 c)에서 얻은 팽창성이고 가압된 중합체 용융물은 60 내지 270℃의 온도를 가지고 2 내지 50 MPa로 가압되는, 방법.
제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 얻을 수 있는 3차원 물체로서, 바람직하게는 방음재, 쿠션, 매트리스, 매트, 스폰지, 신발 밑창, 운동화, 보호 장비, 지지 구조물 또는 충전 구조물인, 3차원 물체.