KR20210069979A - Carbon fiber-polymer composites mulit-joint robot 3D printer including filament cutting devices - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소섬유를 포함하여 제조된 고분자 복합재를 3D 프린터 상에서 사용하기 위하여 적절한 크기로 절단할 수 있는 탄소섬유 필라멘트 절단 장치를 포함하며, 다관절 로봇을 통해 노즐을 다양한 각도로 형성할 수 있는 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon fiber-polymer composite articulated robot 3D printer having a filament cutting device, and more particularly, a polymer composite material prepared including carbon fiber can be cut to an appropriate size for use on a 3D printer. It includes a carbon fiber filament cutting device, and a carbon fiber-polymer composite articulated robot 3D printer having a filament cutting device capable of forming nozzles at various angles through the articulated robot.
3차원의 물체를 성형할 수 있는 3D 프린터의 사용이 증대되고 있다. 이러한 3D 프린터의 제품성형방식은 광경화성 재료에 레이저 광선을 주사하여 광주사된 부분을 물체로 성형하는 방식, 성형재료를 절삭하여 성형하는 방식, 열가소성 고분자복합재를 용융하여 적층하는 방식(FDM 방식) 등이 있다.The use of 3D printers capable of forming three-dimensional objects is increasing. The product molding method of this 3D printer is a method of injecting a laser beam into a photocurable material and molding the light-scanned part into an object, a method of cutting and molding a molding material, a method of melting and laminating a thermoplastic polymer composite (FDM method) etc.
이러한 방식 중에서 고분자복합재를 용융하여 적층하는 방식의 3D프린터가 다른 방식의 3D 프린터에 비해 생산 단가가 저렴한데, 이러한 이유로 인해 고분자복합재를 이용하는 3D 프린터가 가정용, 공업용으로 대중화되고 있는 추세이다.Among these methods, 3D printers that melt and laminate a polymer composite material have a lower production cost compared to other types of 3D printers. For this reason, 3D printers using polymer composite materials are becoming popular for home and industrial use.
한편, 이러한 3D 프린터용 고분자복합재는 열가소성 수지로 이루어지는데, 상기 열가소성 수지로 폴리락트산(PLA) 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)이 사용될 수 있다.Meanwhile, the polymer composite material for 3D printers is made of a thermoplastic resin, and polylactic acid (PLA) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS) may be used as the thermoplastic resin.
ABS는 구입이 용이하고, 인장강도가 높으며 열에 강하고 PLA보다 작은 부품을 만들기에 용이하나 열수축 현상으로 인하여 성형이 다소어려우며, 친환경직이지 않아 가열시 냄새가 심하여 반드시 환기가 필요하다.ABS is easy to purchase, has high tensile strength, is strong against heat, and is easy to make smaller parts than PLA, but it is somewhat difficult to form due to heat shrinkage.
요즘에는 ABS 대신 인체 및 환경에 무해한 PLA가 고분자복합재 소재로 각광받고 있다. 그러나 인장강도가 낮은 단점 때문에 조형물이나 피규어 등 간단한 시제품 생산용으로만 사용되고 있다.Nowadays, PLA, which is harmless to the human body and the environment, is in the spotlight as a polymer composite material instead of ABS. However, due to the disadvantage of low tensile strength, it is only used for the production of simple prototypes such as sculptures and figures.
따라서, 현재 고강도 부품에 적용하기 위해서는 탄소 섬유 등을 조합한 상태에서 강도를 향상시킨 복합재료 개발이 필요한 실정이다.Therefore, in order to be applied to high-strength parts at present, it is necessary to develop a composite material with improved strength in a state in which carbon fibers are combined.
기존의 한국등록특허 제10-1774941호(3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물 및 그 제조방법)를 참조하면, 3D 프린터 기술을 도입하여 자동차 경량화 부품을 제조하기 위한 3D 프린터용 복합 필라멘트 조성물을 제공하고자 하는 것으로서, 열가소성 수지에 대해 미리 정해진 양의 탄소 섬유가 혼합되어 기계적 물성과 성형성을 향상시킬 수 있고, 자동차용 또는 전자제품용 경량 부품의 제작에 필요한 비용과 시간을 절감할 수 있으며, 다품종, 다구조 소량 생산 시스템에 최적화한 복합필라멘트 조성물에 관한 기술적 내용을 제공한다.Referring to the existing Korean Patent No. 10-1774941 (composite filament composition for 3D printer and manufacturing method thereof), 3D printer technology is introduced to provide a composite filament composition for a 3D printer for manufacturing lightweight automobile parts. , a predetermined amount of carbon fiber is mixed with the thermoplastic resin to improve mechanical properties and moldability, and to reduce the cost and time required for manufacturing lightweight parts for automobiles or electronic products, multi-type, multi-structured It provides technical details about a composite filament composition optimized for a small-volume production system.
본 발명의 목적은 탄소섬유를 포함하여 제조된 고분자 복합재를 3D 프린터 상에서 사용하기 위하여 적절한 크기로 절단할 수 있는 탄소섬유 필라멘트 절단 장치를 포함하며, 다관절 로봇을 통해 노즐의 다양한 각도를 형성할 수 있는 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to include a carbon fiber filament cutting device that can cut a polymer composite material manufactured including carbon fiber to an appropriate size for use on a 3D printer, and can form various angles of the nozzle through an articulated robot It is to provide a carbon fiber-polymer composite articulated robot 3D printer having a filament cutting device.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터는 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트를 공급하는 필라멘트 공급부로부터 공급되는 필라멘트를 가열하여 분사하는 노즐(10); 및 복수의 관절을 구비하여 상기 노즐이 결합되어 상기 노즐의 높이 및 위치를 다각도로 조정하는 다관절 로봇(20);을 포함하며, 상기 노즐은 중공의 케이스(110)와, 상기 케이스(110) 내에 수평하게 결합되는 거치 플레이트(113), 상기 거치 플레이트(113)와 상기 케이스의 사이에 배치되는 동력공급 모듈(120), 상기 동력공급 모듈(120)에 수평방향으로 이격된 상태로 거치 플레이트 상측에 수직하게 배치되어 필라멘트를 공급하는 필라멘트 공급모듈(130), 상기 필라멘트 공급모듈(130)의 하부에 수평방향을 따라 슬라이딩 가능하게 배치되는 슬라이딩 블럭(141) 및 상기 슬라이딩 블럭(141)의 하부에 고정결합되는 하부 커터(143) 및 상기 하부 커터(143)에 대해 슬라이딩 이동하는 상부 커터(142)를 포함하는 필라멘트 절단모듈(140)을 구비하고, 상기 필라멘트 공급모듈(130)을 통해 탄소섬유 필라멘트가 공급되는 과정에서, 상기 동력공급 모듈(120)은 상기 상부 커터(142)를 상기 하부 커터(143)에 대해 일정한 시간 간격으로 슬라이딩 운동시키고, 상기 상부 커터(142)는 상기 동력공급 모듈(120)을 통해 가해진 외력이 해제되는 경우 상기 케이스(110)와 상기 상부 커터(142) 사이에 배치된 탄성부재(150)를 통해서 원상복귀 된다.In order to achieve the above object, a carbon fiber-polymer composite articulated robot 3D printer having a filament cutting device according to an embodiment of the present invention is a carbon fiber-polymer composite material by heating the filament supplied from the filament supply unit for supplying the filament. a nozzle for spraying (10); and a
여기서, 다관절 로봇(20)은 지지부(210); 상기 지지부에 회전가능하게 결합되는 회전지지부(220); 일단이 상기 회전지지부에 회동가능하게 결합되어 일방향으로 연장되는 제1 관절부(230); 및 일단이 상기 제1 관절부의 타단에 회동가능하게 결합되어 일방향으로 연장되며, 타단에 상기 노즐(10)이 결합되는 제2 관절부(240);를 구비한다.Here, the articulated
여기서, 상기 케이스(110)는 상기 케이스(110)의 외부를 형성하는 상부 커버(111)와 하부 케이스(112), 상기 하부 케이스(112) 내부의 바닥면에 상기 필라멘트 절단모듈(140)을 지지하는 베이스 플레이트(114), 상기 베이스 플레이트(114)의 상부 양측 각각에 배치되는 지지블럭(115), 및 상기 지지블럭(115)의 상단에 배치되는 상기 거치 플레이트(113)를 포함한다.Here, the
여기서, 동력공급 모듈(120)은 상기 거치 플레이트(113)에 고정되는 구동 모터(121), 상기 구동 모터(121)를 이루는 구동축에 회전 가능하게 결합되는 회전 캠(122) 및 상기 베이스 플레이트(114)가 배치된 상태에서 상기 회전 캠(122)의 캠 축을 회전 가능하게 고정하는 캠 지지블럭(123)을 포함한다.Here, the
여기서, 상부 커터(142)는 상기 슬라이딩 블럭(141)의 내부에 삽입 고정되고, 상기 상부 커터(142) 및 상기 하부 커터(143)는 상하부 방향을 따라 서로 마주보도록 배치된다.Here, the
여기서, 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트는 열가소성 수지 95 내지 99.9 중량부; 및 탄소섬유는 0.1 내지 5 중량부;를 포함하며, 상기 탄소섬유는 10 내지 1,000nm 두께의 강화 계면상을 가지고, 상기 탄소섬유 100 중량부에 계면재료 0.5 내지 30 중량부를 포함하여 상기 탄소섬유의 표면에 강화 계면상을 형성하며, 상기 계면재료는 강인화제 및 이행제를 포함한다.Here, the carbon fiber-polymer composite filament is 95 to 99.9 parts by weight of a thermoplastic resin; and 0.1 to 5 parts by weight of the carbon fiber, wherein the carbon fiber has a reinforced interfacial phase having a thickness of 10 to 1,000 nm, and 0.5 to 30 parts by weight of an interface material to 100 parts by weight of the carbon fiber. A reinforcing interfacial phase is formed on the surface, and the interfacial material includes a toughening agent and a transfer agent.
여기서, 상기 열가소성 수지는 폴리 락트산(Poly lactic Acid, PLA) 또는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile Butadien Styrene, ABS)인 것을 특징으로 한다.Here, the thermoplastic resin is characterized in that poly lactic acid (PLA) or acrylonitrile butadiene styrene (Acrylonitrile Butadien Styrene, ABS).
본 발명에 의한 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터는 공급된 연속탄소섬유 필라멘트를 3D 프린터 상에서 적층 사용하기 위하여 연속탄소섬유 필라멘트를 안정적으로 절단하게 함으로써 3D 프린팅을 위한 연속탄소섬유 필라멘트를 적층하는 과정에서 품질의 저하가 발생하는 문제를 해소할 수 있다. Carbon fiber-polymer composite articulated robot 3D printer having a filament cutting device according to the present invention is continuous for 3D printing by stably cutting the continuous carbon fiber filaments for stacking and using the supplied continuous carbon fiber filaments on the 3D printer. It is possible to solve the problem of quality deterioration in the process of laminating carbon fiber filaments.
뿐만 아니라, 다관절 로봇을 통해 노즐의 높이 및 위치를 다양하게 설정할 수 있어 3D 프린팅을 보다 정밀하게 구현할 수 있다.In addition, the height and position of the nozzle can be set variously through the articulated robot, so 3D printing can be implemented more precisely.
이와 더불어, 열가소성 수지와 강화계면상이 형성되어 있는 탄소섬유를 혼합하여 인장강도, 인장 탄성률, 굴곡강도, 굴곡탄성률 등의 기계적 물성이 향상된 필라멘트를 사용함에 따라 높은 내구성을 가지는 완성품의 제작이 가능하다.In addition, it is possible to manufacture a finished product with high durability by mixing a thermoplastic resin and carbon fiber having a reinforced interfacial phase and using a filament with improved mechanical properties such as tensile strength, tensile modulus, flexural strength, and flexural modulus.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터의 사시도이다.
도 2는 도 1의 회동 상태를 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐의 사시도를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3에서 노즐의 내부가 보이도록 상부 커버가 분리된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4에서 회전 캠에 의해 상부 커터의 슬라이딩 운동이 진행된 상태를 나타내는 사시도이다
도 6은 도 4의 단면 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 5의 단면 상태를 나타내는 도면이다.1 is a perspective view of a carbon fiber-polymer composite articulated robot 3D printer having a filament cutting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing the rotational state of FIG. 1 .
3 is a view showing a perspective view of a nozzle according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view illustrating a state in which the upper cover is separated so that the inside of the nozzle is visible in FIG. 3 according to an embodiment of the present invention.
5 is a perspective view illustrating a state in which the sliding motion of the upper cutter is progressed by the rotation cam in FIG. 4 according to an embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a view showing a cross-sectional state of FIG. 4 .
FIG. 7 is a view showing a cross-sectional state of FIG. 5 .
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this case, it should be noted that in the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals as much as possible. Detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, some components are exaggerated, omitted, or schematically illustrated in the accompanying drawings.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated. In addition, throughout the specification, "on" means to be located above or below the target portion, and does not necessarily mean to be located above the direction of gravity.
본 발명의 실시예에 따른 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터는 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트를 공급하는 필라멘트 공급부로부터 공급되는 필라멘트를 가열하여 분사하는 노즐(10) 및 복수의 관절을 구비하여 종단에 노즐(10)이 결합되어 노즐(10)의 높이 및 위치를 다각도로 조정하는 다관절 로봇(20)을 포함하며, 노즐(10)은 중공의 케이스(110)와, 케이스(110) 내에 수평하게 결합되는 거치 플레이트(113), 거치 플레이트(113)와 케이스의 사이에 배치되는 동력공급 모듈(120), 동력공급 모듈(120)에 수평방향으로 이격된 상태로 거치 플레이트 상측에 수직하게 배치되어 필라멘트를 공급하는 필라멘트 공급모듈(130), 필라멘트 공급모듈(130)의 하부에 수평방향을 따라 슬라이딩 가능하게 배치되는 슬라이딩 블럭(141) 및 슬라이딩 블럭(141)의 하부에 고정결합되는 하부 커터(143) 및 하부 커터(143)에 대해 슬라이딩 이동하는 상부 커터(142)를 포함하는 필라멘트 절단모듈(140)을 구비하고, 필라멘트 공급모듈(130)을 통해 탄소섬유 필라멘트가 공급되는 과정에서, 동력공급 모듈(120)은 상부 커터(142)를 하부 커터(143)에 대해 일정한 시간 간격으로 슬라이딩 운동시키고, 상부 커터(142)는 동력공급 모듈(120)을 통해 가해진 외력이 해제되는 경우 케이스(110)와 상부 커터(142) 사이에 배치된 탄성부재(150)를 통해서 원상복귀 된다.A carbon fiber-polymer composite articulated robot 3D printer having a filament cutting device according to an embodiment of the present invention is a
이하, 도면 1 내지 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터에 대해서 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a carbon fiber-polymer composite articulated robot 3D printer having a filament cutting device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 7 .
케이스(110)는 케이스(110)의 외부면을 구성하는 하부 케이스(112)와 하부 케이스의 상단에 결합되는 상부 커버(111)로 결합되어 박스형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 하부 케이스(112)의 내부의 바닥면에 필라멘트 절단모듈(140)을 지지하는 베이스 플레이트(114), 베이스 플레이트(114)와 베이스 플레이트(114)의 사이의 양단에 배치되는 지지블럭(115), 및 지지블럭(115)의 상단에 배치되는 거치 플레이트(113)를 포함한다.The
상부 커버(111)는 상부 커버(111)는 필라멘트 공급모듈(130)의 상부가 노출되도록 커버 관통구(1111)가 형성된다. 한편, 하부 케이스(112)의 상부 양측은 모따기 형상으로 절단 가공됨과 동시에 상단은 상부 커버(111)와 결합부를 이루게 되는 절곡부(116)가 형성된다. 상부 커버(111)와 하부 케이스(112)를 결합하는 과정에서, 절곡부(116)를 상부 커버(111)의 상단 측부에 겹치게 한 상태에서 상부 커버(111)와 절곡부(116)를 상호 관통하도록 결합 볼트 등을 이용하여 체결할 수 있다.The
베이스 플레이트(114)는 알루미늄 재질의 AL6061을 채용할 수 있다. 베이스 플레이트(114)는 상부 커버(111) 및 하부 케이스(112)의 결합을 가능하게 하도록 볼팅을 위한 다수의 체결홈이 형성된다.The
지지블럭(115)은 베이스 플레이트(114)의 상면에 일측에 배치되는 제1 지지블럭(1151) 및 베이스 플레이트(114)의 타측 상면에 제1 지지블럭(1151)에 대향되도록 배치되는 제2 지지블럭(1152)을 포함한다. 지지 블록(130)도 알루미늄 재질의 AL6061을 채용할 수 있다.The
제1,2 지지블럭(115) 중 어느 하나의 지지블럭(115)과 필라멘트 절단모듈(140) 사이에는 탄성부재(150)가 배치된다. 일예로서, 제2 지지블럭(134)의 측면에 형성된 스프링 홈 상에 탄성부재(150)의 일측이 고정되고, 탄성부재(150)의 타측은 필라멘트 절단모듈(140)을 이루는 슬라이딩 블럭(141)에 연결된다.An
동력공급 모듈(120)은 거치 플레이트(113)에 고정되는 구동 모터(121), 구동 모터(121)를 이루는 구동축 상에 회전 가능하게 결합되는 회전캠(122) 및 베이스 플레이트(114)에 배치된 상태에서 회전캠(122)의 캠축을 회전 가능하게 고정하는 캠 지지블럭(123)을 포함한다.The
회전캠(122)은 그 가장자리 외주연을 따라 길이가 상이한 복수의 회전 날개가 교번적으로 형성되는 구조를 갖는다. 즉, 복수의 회전 날개는 회전 캡의 중심축으로부터의 거리가 상이한 상태의 회전 날개들이 형성된다. 일예로서, 복수의 회전 날개는 필라멘트 절단모듈(140)의 측면을 가압하여 슬라이딩 운동을 가능하게 하는 장축 날개 및 슬라이딩 이동된 필라멘트 절단모듈(140)의 복원을 가능하게 하는 단축 날개를 포함한다.The
필라멘트 절단모듈(140)은 필라멘트 공급모듈(130)의 하부에서 수평 방향을 따라 슬라이딩 가능하게 배치되는 슬라이딩 블럭(141), 슬라이딩 블럭(141)의 하부 상에서 케이스(110) 내에 고정 결합되는 하부 커터(143) 및 슬라이딩 블럭(141)의 양측 상에 배치되는 가이드 블럭(144)을 포함한다.The
슬라이딩 블럭(141)은 그 내부에 삽입 고정된 상부 커터(142)를 포함한다. 상부 커터(142)와 하부 커터(143)는 상하부 방향을 따라 마주보도록 배치된다.The sliding
슬라이딩 블럭(141)은 직육면체 형상을 갖는 상태에서 하부에는 상부 커터(142)의 삽입 장착이 가능한 커터 홈이 형성되는 것과 동시에 상부에는 필라멘트 공급모듈(130)의 하단이 연결되는 필라멘트 공급홀이 형성된다. 커터 홈은 상부 커터(142)의 형상에 부합하는 사각 형태의 홈일 수 있고, 필라멘트 공급홀은 원 형상을 가질 수 있다.The sliding
슬라이딩 블럭(141)은 필라멘트 공급모듈(130)과 주기적인 직접 접촉을 통해 위치 변동이 가능하다. 구동 모터를 이루는 구동축에 회전 가능하게 결합되는 회전캠(122)의 회전 시에, 슬라이딩 블럭(141)의 일측상에 장축 날개가 위치하는 경우에 슬라이딩 블럭을 탄성부재(150)를 압축하는 작용을 하게 된다. 과정을 통해서 하부 커터(143)의 상부에 배치된 상부 커터(142)는 슬라이딩하여 어긋나게 된다. 즉, 상부 커터(142)는 슬라이딩 블럭(141)의 하단을 통해 내에 삽입 고정된 상태에서 슬라이딩 블럭(141)과 함께 슬라이딩 운동한다.The sliding
가이드 블럭(144)은 슬라이딩 블럭(141)의 이동 시에 베이스 플레이트(114)를 따라 안정적인 직선 운동을 가능하게 한다. 즉, 슬라이딩 블록(141)의 양측에서 베이스 플레이트(114)에 한쌍의 가이드 블럭(144)이 고정된 상태를 갖는바, 이를 통해서 슬라이딩 블럭(141)은 직선 경로를 이탈하지 않은 상태에서 반복적으로 슬라이딩 운동을 한다. 한편, 가이드 블록(144)과 슬라이딩 블록(141)간의 마찰을 방지하기 위해서 가이드 블록(144)의 내측면에는 가이드 레일 및 가이드 레일에 내삽된 베어링을 구비하고, 베어링을 통해 구름 운동을 통해 마찰을 최소화할 수 있다. 다른 한편으로는, 가이드 블록(144)과 슬라이딩 블록(141)을 마찰을 방지하는 재질을 선정할 수 있다.The
상부 커터(142) 및 하부 커터(143)는 상하부 방향을 따라 마주보는 구조로 형성된다. 상하부 커터는 직육면체 형상의 중공 블럭 형태를 갖는 것으로서, 상하부 방향을 따라 절단을 요하는 필라멘트의 이동이 가능하도록 소정 직경의 관통홀이 형성된다. 상하부 커터의 관통홀 상에는 공급된 필라멘트의 횡방향 절단을 가능하게 하도록 소정의 절단날이 배치된다.The
필라멘트 공급모듈(130)을 통해 탄소섬유 필라멘트를 하부방향으로 소정 간격으로 공급한 상태에서, 슬라이딩 블록(141)을 통해 상부 커터(142)를 슬라이딩 운동하게 되면 하부 커터(143) 내에 절단된 필라멘트 필렛이 잔존한 상태에서 베이스 플레이트(114) 상에 형성된 배출 통로(1131)를 통해 외부로 방출된다.When the
탄성부재(150)는 제2 지지블럭(134)의 측면에 형성된 스프링 홈에 일측이 고정 설치되고, 타측은 필라멘트 절단모듈(140)을 이루는 슬라이딩 블럭(141)에 연결된다. 탄성부재(150)는 슬라이딩 블럭(141)을 따라 한쌍이 대칭적으로 나란히 배치되는 것일 수 있다.One side of the
한편, 캠 지지블럭(123)의 일측 상에는 슬라이딩 블럭(141)이 복원되는 과정에서 캠 지지블럭(123)에의 충격 및 진동을 저감하게 하는 기능을 하도록 댐퍼부(160)가 배치된다. 댐퍼부(160)는 슬라이딩 블럭(141)에 배치가 되는 구조일 수도 있다.On the other hand, on one side of the
필라멘트 공급모듈(130)을 통해 탄소섬유 필라멘트가 공급되는 과정에서, 동력공급 모듈(120)은 슬라이딩 블록(141)과 상부 커터(142)를 하부 커터(143)에 대해 일정한 시간 간격으로 슬라이딩 운동하도록 외력을 가하고, 외력이 가해진 슬라이딩 블럭(141)은 동력공급 모듈(120)에 의해 가해진 외력이 해제되는 경우에는 케이스(110)와 상부 커터(142) 사이에 배치된 탄성부재(150)를 통해서 원상복귀된다.In the process in which the carbon fiber filament is supplied through the
다관절 로봇(20)은 복수의 관절을 구비하여 노즐(10)이 결합되어 노즐(10)의 높이 및 위치를 다각도로 조정하는 역할을 하는 것으로서, 지지부(210), 회전지지부(220), 제1 관절부(230) 및 제2 관절부(240)를 포함하여 구성된다.The articulated
지지부(210)는 기설정된 위치에 다관절 로봇(20)을 지지하여 고정하는 역할을 한다.The
회전지지부(220)는 지지부(210)에 회전가능하게 결합된다. 회전지지부(220) 내부에는 구동모터가 구비되어 지지부(210)에서 360도로 양방향으로 회전구동할 수 있다. 이때, 회전지지부(220)는 제1 관절부(230)가 회동결합될 수 있도록 상측에서 하측방향으로 오목한 형상의 제1 관절홈(211)이 형성된다.The
제1 관절부(230)는 일단이 회전지지부(220)의 관절홈(211)에 회동가능하게 결합되고, 타단은 제2 관절부(240)가 회동 가능하게 결합될 수 있도록 상측에서 하측방향으로 오목한 형상의 제2 관절홈(231)이 형성된다.One end of the first
제2 관절부(240)는 일단이 제1 관절부(230)의 제2 관절홈(231)에 회동가능하게 결합되어 일방향으로 연장되며, 타단에 노즐(10)이 결합된다. 그리고, 제2 관절부(240)에는 필라멘트 공급모듈(130)이 일방향을 따라 연장되어 형성될 수 있다.The second
이와 같이, 다각도로 형성될 수 있는 다관절 로봇(20)을 통하여 노즐(10)의높이 및 위치를 다양한 각도에서 분산되도록 하여 다양한 각도로 3D 프린팅을 구현할 수 있다.As described above, 3D printing can be implemented at various angles by dispersing the height and position of the
본 발명에서 공급되는 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트는 열가소성 수지와 강화 계면상이 형성되어 있는 탄소섬유를 혼합하여 인장강도, 인장 탄성률, 굴곡강도, 굴곡탄성률 등의 기계적 물성을 향상하게 한다.The carbon fiber-polymer composite filament supplied in the present invention improves mechanical properties such as tensile strength, tensile modulus, flexural strength, and flexural modulus by mixing a thermoplastic resin and carbon fiber having a reinforcing interfacial phase.
상기 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트는 상기 열가소성 수지 95 내지 99.99 중량부에 상기 탄소섬유 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 탄소섬유 0.07 내지 0.1중량부 일 수 있다. 상기 열가소성 수지 및 탄소섬유의 사용 범위를 초과하거나 미만일 경우, 상기 고분자 복합재를 압출시 탄소섬유가 묻어나오거나 기계적 물성이 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 또한 상기 탄소섬유는 필라멘트 단위 길이(1cm)당 1000~7000가닥, 바람직하게는 2000~4000가닥이 포함되는 것이 바람직하다. 1000가닥 미만으로 포함되는 경우 탄소섬유에 의한 물성개선을 기대할 수 없으며, 7000가닥을 초과하여 포함되는 경우 필라멘트가 섬유의 표면으로 노출되거나, 전성, 연성이 떨어질 수 있다.The carbon fiber-polymer composite filament preferably includes 0.01 to 5 parts by weight of the carbon fiber in 95 to 99.99 parts by weight of the thermoplastic resin, and more preferably 0.07 to 0.1 parts by weight of the carbon fiber. When the range of use of the thermoplastic resin and carbon fiber is exceeded or less than the range of use, there may be problems in that the carbon fiber oozes out or mechanical properties decrease when the polymer composite is extruded. In addition, it is preferable that the carbon fiber contains 1000 to 7000 strands, preferably 2000 to 4000 strands per filament unit length (1 cm). When it contains less than 1000 strands, it cannot be expected to improve physical properties by carbon fibers, and when it contains more than 7000 strands, the filament may be exposed to the surface of the fiber, or malleability and ductility may be deteriorated.
상기 열가소성 수지는 가열하면 물러졌다가 냉각하면 다시 굳어지는 폴리에틸렌이나 폴리염화비닐과 같은 중합체를 의미한다. 이러한 물질은 가열에 의하여 여러 가지 형태로 모양을 바꿀 수 있다. 열을 가하여 성형한 뒤에도 다시 열을 가하면 형태를 변형시킬 수 있어 압출성형 또는 사출성형에 의해 능률적으로 가공할 수 있다. 열가소성 수지에는 결정성 열가소성수지와 비결정성 열가소성수지가 있는데, 결정성 열가소성 수지에는 폴리에틸렌, 나일론, 폴리아세탈수지 등이 포함되고 유백색이다. 비결정성 열가소성 수지에는 염화비닐 수지, 폴리스타이렌, ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene)수지, 아크릴수지 등의 투명한 것이 많다.The thermoplastic resin means a polymer such as polyethylene or polyvinyl chloride that becomes soft when heated and hardens again when cooled. These materials can be changed into various shapes by heating. Even after molding by applying heat, the shape can be deformed by applying heat again, so that it can be processed efficiently by extrusion molding or injection molding. Thermoplastic resins include crystalline thermoplastic resins and amorphous thermoplastic resins, and crystalline thermoplastic resins include polyethylene, nylon, polyacetal resin, and the like, and are milky white. There are many transparent amorphous thermoplastic resins such as vinyl chloride resin, polystyrene, ABS (Acrylonitrile Butadien Styrene) resin, and acrylic resin.
상기 열가소성 수지는 폴리 락트산(Poly lactic Acid, PLA), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile Butadien Styrene, ABS), 고밀도폴리에틸렌(HDPE), 저밀도폴리에틸렌(LDPE), 스티렌(Styrene), 폴리프로필렌(PP), 및 폴리카보네이트(PC)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. PLA(Poly lactic Acid)는 유산이라고 하는 생체 내 등에 존재하는 저분자량 화합물(모노머)의 중합체로 천연에는 존재하지 않는다. 일반적으로 물에 의해 가수분해돼 저분자화한 후 미생물에 의하여 분해된다고 알려져있다.The thermoplastic resin is polylactic acid (PLA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), styrene (Styrene), polypropylene (PP), And it may include at least one selected from the group consisting of polycarbonate (PC). PLA (Poly Lactic Acid) is a polymer of low-molecular-weight compounds (monomers) present in the living body called lactic acid, which does not exist in nature. In general, it is known that it is hydrolyzed by water, reduced to a molecular weight, and then decomposed by microorganisms.
즉, PLA의 가장 큰 장점은 일반 플라스틱, 합성섬유와 달리 땅에서 분해될 수 있다. 때문에 최근 들어 플라스틱 요기 대체 소재로 각광받고 있다. 3D 프린트 원료 분야에서는 PLA 원료는 녹은 뒤 다시 식어서 다시 굳는 시간이 오래걸려 수축이 거의 일어나지 않는 장점이 있다. ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene)는 비결정성의 스틸렌계 열가소성 수지로, 내충격성, 강성, 유동성 등이 뛰어나며, 치수안정성, 성형가공성, 내약품성 등의 제반특성도 매우 뛰어나다.In other words, the biggest advantage of PLA is that it can be decomposed on the ground, unlike general plastics and synthetic fibers. For this reason, it has recently been spotlighted as an alternative material for plastic yogi. In the field of 3D printing materials, PLA material has the advantage of hardly shrinking because it takes a long time to cool again after being melted. ABS (Acrylonitrile Butadien Styrene) is an amorphous styrene-based thermoplastic resin. It has excellent impact resistance, rigidity, fluidity, etc., and also has excellent properties such as dimensional stability, molding processability, and chemical resistance.
상기 탄소섬유는 10 내지 1,000nm 두께의 강화 계면상을 가지는 것이 바람직하며, 상기 탄소섬유 100 중량부에 계면재료 0.5 내지 30 중량부를 포함 하여 상기 강화 계면상을 형성하는 것이 바람직하다.The carbon fiber preferably has a reinforcing interfacial phase with a thickness of 10 to 1,000 nm, and it is preferable to form the reinforcing interfacial phase by including 0.5 to 30 parts by weight of an interface material in 100 parts by weight of the carbon fiber.
상기 계면재료가 0.5 중량부를 미만일 경우, 강화 계면상의 형성이 어려우며, 30 중량부를 초과할 경우, 강화 계면상의 두께가 1,000nm를 초과할 수 있다.When the amount of the interface material is less than 0.5 parts by weight, it is difficult to form a reinforcing interfacial phase, and when it exceeds 30 parts by weight, the thickness of the reinforcing interfacial phase may exceed 1,000 nm.
상기 강화 계면상의 두께가 10nm 미만일 경우, 고분자 복합재의 기계적 물성이 감소하며, 상기 강화 계면상의 두께가 1,000nm를 초과할 경우, 상기 탄소섬유와 열가소성 수지의 혼합이 잘 이루어지지 않을 수 있다.When the thickness of the reinforcing interfacial phase is less than 10 nm, the mechanical properties of the polymer composite are reduced, and when the thickness of the reinforcing interfacial phase exceeds 1,000 nm, the carbon fiber and the thermoplastic resin may not be mixed well.
상기 계면 재료는 강인화제, 또는 이행제와 비상응성인 1개 이상의 성분을 함유하는 강인화제의 혼합물일 수 있다. 상기 강인화제는 엘라스토머, 분지중합체, 초분지 중합체, 덴드리머, 고무상 중합체, 고무상 공중합체, 블록 공중합체, 코어-쉘 입자, 산화물 또는 무기 재료, 예를 들면 클레이, 다면체 올리고머실세스퀴옥산(POSS), 카본 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 섬유, 풀러렌과 같은 탄소질 재료, 세라믹 및 실리콘 카바이드를 포함하지만, 이들로 한정되지 않는다.The interfacial material may be a toughening agent or a mixture of toughening agents containing one or more components that are incompatible with the transfer agent. The toughening agent is an elastomer, branched polymer, hyperbranched polymer, dendrimer, rubbery polymer, rubbery copolymer, block copolymer, core-shell particle, oxide or inorganic material such as clay, polyhedral oligomersilsesquioxane ( POSS), carbon black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbonaceous materials such as fullerenes, ceramics, and silicon carbide.
US 6894113(코트(Court) 외, Atofina, 2005)에 기재되어 있는 조성을 갖는 블록 공중합체의 예는 「Nanostrength(등록 상표)」SBM(폴리스티렌-폴리부타디엔-폴리메타크릴레이트) 및 MBM(폴리메타크릴레이트-폴리부틸아크릴레이트-폴리메타크릴레이트)를 포함하고, 양자 모두 Arkema에 의해 제조되고 있다. 다른 블록 공중합체는 Fortegra(등록 상표) 및 양친매성 블록 공중합체(Dow Chemical에 의한 US 7820760B2에 기재되어 있음)를 포함한다. 기지의 코어-쉘 입자의 예는, 코어-쉘(덴드리머) 입자[그 조성은 US 20100280151A1(응우옌(Nguyen) 외, 도레이 가부시키가이샤, 2010)에 기재되어 있고, 불포화 탄소-탄소 결합을 갖는 중합성 단량체로부터 중합된 코어 중합체에 아민 분지 중합체가 쉘로서 그래프트되어 있음]; 코어-쉘 고무상 입자[그 조성은 가부시키가이샤 가네카의 EP 1632533A1 및 EP 2123711A1에 기재되어 있고, 그러한 입자/에폭시 블렌드의 「KaneAce MX」 제품 계열은 그 입자가 중합성 단량체, 예를 들면 부타디엔, 스티렌, 다른 불포화 탄소-탄소 결합단량체, 또는 그들의 조합으로부터 중합된 중합체 코어, 및 에폭시와 상응성인 중합체 쉘, 일반적으로 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리글리시딜메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴 또는 동등물 및 유사물을 가짐]; JSR 가부시키가이샤에 의해 제조되고 있는 카르복실화 폴리스티렌/폴리디비닐벤젠의 「JSR SX」 시리즈; 부타디엔알킬메타크릴레이트스티렌 공중합체인 「Kureha paraloid」 EXL-2655(가부시키가이샤 쿠레하에 의해 제조됨); 각각 아크릴레이트메타크릴레이트 공중합체인 「Stafiloid」 AC-3355 및 TR-2122(양자 모두 다케다 야쿠힌코교 가부시키가이샤에 의해 제조됨); 각각 부틸아크릴레이트메틸메타크릴레이트 공중합체인 「PARALOID」 EXL-2611 및 EXL-3387(양자 모두 Rohm & Haas에 의해 제조됨)을 포함한다. 기지의 산화물 입자의 예는, nanoresins AG에 의해 제조되고 있는 Nanopox(등록 상표)를 포함한다. 이는 관능화 나노실리카 입자와 에폭시의 마스터 블렌드(master blend)이다.Examples of block copolymers having a composition described in US 6894113 (Court et al., Atofina, 2005) include "Nanostrength (registered trademark)" SBM (polystyrene-polybutadiene-polymethacrylate) and MBM (polymethacrylic rate-polybutylacrylate-polymethacrylate), both of which are manufactured by Arkema. Other block copolymers include Fortegra® and amphiphilic block copolymers (described in US 7820760B2 to Dow Chemical). Examples of known core-shell particles include core-shell (dendrimer) particles whose composition is described in US 20100280151A1 (Nguyen et al., Toray Corporation, 2010) and has an unsaturated carbon-carbon bond. an amine branching polymer is grafted as a shell to a polymerized core polymer from a polymerizable monomer]; Core-shell rubbery particles whose composition is described in EP 1632533A1 and EP 2123711A1 by Kaneka, Ltd., the “KaneAce MX” product line of such particle/epoxy blends is that the particles contain polymerizable monomers, such as , a polymer core polymerized from styrene, other unsaturated carbon-carbon bonding monomers, or combinations thereof, and a polymer shell corresponding to an epoxy, generally polymethylmethacrylate, polyglycidylmethacrylate, polyacrylonitrile or equivalent with water and the like]; "JSR SX" series of carboxylated polystyrene/polydivinylbenzene manufactured by JSR Corporation; "Kureha paraloid" EXL-2655 which is a butadiene alkyl methacrylate styrene copolymer (made by Kureha Corporation); "Stafiloid" AC-3355 and TR-2122 which are acrylate methacrylate copolymers, respectively (both manufactured by Takeda Yakuhin Kogyo Co., Ltd.); "PARALOID" EXL-2611 and EXL-3387 (both manufactured by Rohm & Haas), respectively, which are butyl acrylate methyl methacrylate copolymers. Examples of known oxide particles include Nanopox (registered trademark) manufactured by nanoresins AG. It is a master blend of functionalized nanosilica particles and epoxy.
계면 재료로서 사용되는 강인화제는 가부시키가이샤 가네카에 의한 Kane Ace MX 제품 계열에서 찾을 수 있는 코어-쉘 입자(예를 들면, MX416, MX125, MX156); 또는 Kane Ace MX 재료와 유사한 쉘 조성 또는 표면 화학을 갖는 재료; 또는 피착체의 표면 화학에 상응성이 있는 표면 화학(이는 재료가 피착체 부근으로 이동하여, 벌크 접착성 조성물보다 높은 농도를 갖는 것을 가능하게 함)을 갖는 재료와 같은 고무상 재료일 수 있다. 이들 코어-쉘 입자는 일반적으로 25%의 전형적 첨가량에서 에폭시 베이스 재료에 충분히 분산되고, 피착체에 대한 고성능접합용 접착성 조성물에 바로 사용할 수 있다.Toughening agents used as interfacial materials include core-shell particles (eg, MX416, MX125, MX156) found in the Kane Ace MX product line by Kaneka, Inc.; or a material having a shell composition or surface chemistry similar to that of the Kane Ace MX material; or a rubbery material such as a material having a surface chemistry compatible with the surface chemistry of the adherend, which enables the material to migrate in the vicinity of the adherend and have a higher concentration than that of the bulk adhesive composition. These core-shell particles are generally sufficiently dispersed in the epoxy base material in a typical addition amount of 25%, and can be directly used in an adhesive composition for high-performance bonding to an adherend.
계면 재료에 대한 이행제의 비율은 약 0.1 내지 약 30 또는 약 0.1 내지 약 20일 수 있다. 상기 이행제로는 폴리비닐포르말, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리아세탈, 폴리페닐렌옥시드, 폴리페닐렌술피드, 폴리아릴레이트, 폴리에스테르, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 페닐트리메틸인단 구조를 갖는 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리아라미드, 폴리에테르니트릴, 폴리벤즈이미다졸, 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.The ratio of transfer agent to interfacial material may be from about 0.1 to about 30 or from about 0.1 to about 20. Examples of the transfer agent include polyvinyl formal, polyamide, polycarbonate, polyacetal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyester, polyamideimide, polyimide, polyetherimide, and phenyltrimethylindane structure. polyimide, polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, polyaramid, polyethernitrile, polybenzimidazole, derivatives thereof, and mixtures thereof having
상기 강화 계면상은 펌프, 컨트롤 시스템, 공급 건(dosing gun) 어셈블리, 원격 공급 장치 및 도포 건을 사용하는 스월(swirl) 기술, 스티밍법(steaming) 등 기계적 적용법을 이용하거나, 핫 멜트법을 이용하여 상기 탄소섬유에 형성될 수 있다.The reinforcing interfacial phase is a mechanical application method such as a pump, a control system, a dosing gun assembly, a swirl technology using a remote supply device and an application gun, a steaming method, or a hot melt method. It may be formed on the carbon fiber.
상기 열가소성 수지와 상기 탄소섬유를 혼합시 혼합 스크류의 회전속도는 15 내지 17 RPM일 수 있다. 상기 혼합 스크류의 회전 속도가 15 RPM 미만일 경우 고분자 복합재의 두께가 두꺼워져 프린팅시 막힘의 문제가 있을 수 있고, 17RPM을 초과하는 경우 고분자 복합재의 두께가 얇아 프린터에 삽입되지 않는 문제가 있을 수 있다.When the thermoplastic resin and the carbon fiber are mixed, the rotation speed of the mixing screw may be 15 to 17 RPM. If the rotation speed of the mixing screw is less than 15 RPM, the thickness of the polymer composite material becomes thick, and there may be a problem of clogging during printing, and if it exceeds 17 RPM, the thickness of the polymer composite material is thin and may not be inserted into the printer.
상기 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트는 (a) 탄소섬유를 전처리제에 침지하는 단계; (b) 상기 전처리된 탄소섬유를 건조하는 단계; 및 (c) 건조된 탄소섬유와 열가소성 수지를 혼합하는 단계를 포함하여 제조가 이루어진다.The carbon fiber-polymer composite filament is (a) immersing the carbon fiber in a pretreatment agent; (b) drying the pre-treated carbon fiber; and (c) mixing the dried carbon fiber and the thermoplastic resin.
상기 (a)단계는 탄소섬유를 표면처리하는 단계로 탄소섬유를 점처리제에 침지하여 수행된다. 상기 전처리제는 탄소섬유 표면을 식각하여 거칠기를 감소시키며, 산소관능기의 수를 증가시킬 수 있는 전처리제라면 제한 없이 사용 가능하지만, 바람직하게는 염산, 질산, 인산, 아세트산, 불산, 탄산수소암모늄(NH4HCO3) 및 탄산암모늄((NH4)2CO3)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 탄산수소 또는 탄산암모늄, 가장 바람직하게는 탄산수소암모늄을 사용할 수 있다.The step (a) is a step of surface-treating the carbon fiber and is performed by immersing the carbon fiber in a point treatment agent. The pretreatment agent can be used without limitation as long as it is a pretreatment agent capable of reducing the roughness by etching the carbon fiber surface and increasing the number of oxygen functional groups, but preferably hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, acetic acid, hydrofluoric acid, ammonium bicarbonate ( It may include at least one selected from the group consisting of NH4HCO3) and ammonium carbonate ((NH4)2CO3), more preferably hydrogen carbonate or ammonium carbonate, and most preferably ammonium hydrogen carbonate.
또한, 산기 전처리제는 사용되는 전처리제의 종류, pH에 따라 적정한 농도를 선택하여 사용할 수 있지만 바람직하게는 0.1~1M, 더욱 바람직하게는 0.2~0.5M 가장 바람직하게는 0.3M의 농도를 선택하여 사용할 수 있다. 전처리제가 0.1M미만의 농도를 가지는 경우 전처리제 처리시간이 길어지거나, 전처리제에 의한 표면거칠기 감소 및 산소관능기 증가의 효과를 기대할 수 없으며, 0.3M을 초과하는 경우 전처리제의 용해도 문제로 전처리제 제조시 교반시간이 길어질 수 있으며, 세척시 잔류하는 전처리제에 의하여 탄소와 열가소성 고분자의 결합이 약해질 수 있다.In addition, the acid radical pretreatment agent can be used by selecting an appropriate concentration depending on the type and pH of the pretreatment agent used, but preferably by selecting a concentration of 0.1 to 1M, more preferably 0.2 to 0.5M, and most preferably 0.3M. Can be used. When the pretreatment agent has a concentration of less than 0.1M, the pretreatment agent treatment time is prolonged, or the effect of reducing surface roughness and increasing oxygen functional groups by the pretreatment agent cannot be expected. Agitation time may be lengthened during manufacturing, and the bond between carbon and thermoplastic polymer may be weakened by the pretreatment remaining during washing.
또한 상기 (a)단계는 0.7~7.0A/㎡의 전류밀도 하에서 수행되며 50~120초 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 0.75~6.82A/㎡의 전류밀도 하에서 80~110초간 수행될 수 있다. 전류밀도가 0.7A/㎡미만이거나 50미만의 시간동안 표면처리를 수행하는 경우 표면처리가 불량하여 표면거칠기 감소 및 산소관능기 증가의 효과를 기대할 수 없으며, 전류밀도가 7.0A/㎡를 초과하거나 120초를 초과하여 표면처리를 수행하는 경우 사용되는 전류량이 늘어나며 탄소섬유의 생산시간이 늘어나 경제성이 떨어지게 된다.In addition, the step (a) is carried out under a current density of 0.7 ~ 7.0A / ㎡ and may be performed for 50 ~ 120 seconds, preferably it may be carried out for 80 ~ 110 seconds under a current density of 0.75 ~ 6.82A / ㎡ . If the current density is less than 0.7A/m2 or if the surface treatment is performed for less than 50 times, the effect of reducing the surface roughness and increasing the oxygen functional group cannot be expected due to poor surface treatment, and the current density exceeds 7.0A/m2 or 120 If the surface treatment is performed for more than a second, the amount of current used increases and the production time of carbon fiber increases, thereby reducing economic efficiency.
상기 (c) 단계는 탄소섬유와 열가소성 수지를 혼합하는 단계로 열가소성수지를 혼합할 수 있는 조건이라면 적절한 조건을 선택하여 수행할 수 있지만, 바람직하게는 230~310℃에서 수행될 수 있다. 상기 (c) 단계가 230℃미만에서 수행되는 경우 수지가 충분히 액상화 되지 않기 때문에 점도가 낮아지게 된다. 따라서, 압출기내의 수지는 경화되고 탄소섬유는 와인딩되는 현상이 발생하여 탄소섬유가 높은 장력을 받아 끊어지는 현상이 발생할 수 있다. 또한 상기와 같이 온도가 낮은 경우 점도의 감소로 인하여 필라멘트의 표면이 불균일해질 수 있다. 아울러 상기 (c) 단계가 310℃를 초과하여 수행되는 경우 수지의 점도가 높아져 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트의 직경이 규정치보다 감소할 수 있으며, 표면의 변색이 발생할 수 있다.Step (c) is a step of mixing the carbon fiber and the thermoplastic resin. If the conditions are suitable for mixing the thermoplastic resin, it may be performed by selecting an appropriate condition, but preferably at 230 to 310°C. When the step (c) is performed at less than 230°C, the viscosity is lowered because the resin is not sufficiently liquefied. Accordingly, the resin in the extruder is hardened and the carbon fiber is wound, so that the carbon fiber is subjected to high tension and is broken. In addition, when the temperature is low as described above, the surface of the filament may become non-uniform due to a decrease in viscosity. In addition, when the step (c) is performed in excess of 310 ° C., the viscosity of the resin may increase, so that the diameter of the carbon fiber-polymer composite filament may decrease than the specified value, and discoloration of the surface may occur.
아울러 상기 (c) 단계는 2~10개의 온도구간을 가질 수 있다. 상기 (c) 단계가 일정온도에서 수행되는 경우 필라멘트의 내부와 외부의 온도차이가 발생하여 열가소성 수지의 압출시 표면에 불균일이 발생될 수 있다. 따라서 압출기 2~10단계의 온도구간을 이용하여 일정한 온도로 가열되도록 하는 것이 바람직하다. 이때 상기 온도구간은 230~310℃의 온도를 가질 수 있으며 바람직하게는 260~280℃의 온도를 가질 수 있다. 또한 상기 온도구간은 260℃의 온도로 시작하여 5~10℃씩 상승하여 280℃의 최고온도구간에 도달하며, 이후 5~10℃씩 하강하여 260℃에 도달하는 것이 가장 바람직하다.In addition, step (c) may have 2 to 10 temperature sections. When the step (c) is performed at a constant temperature, a temperature difference between the inside and the outside of the filament may occur, which may cause non-uniformity on the surface during extrusion of the thermoplastic resin. Therefore, it is preferable to heat the extruder to a constant temperature using the temperature section of steps 2 to 10. At this time, the temperature section may have a temperature of 230 ~ 310 ℃, preferably may have a temperature of 260 ~ 280 ℃. In addition, the temperature section starts at a temperature of 260 ° C., rises by 5 to 10 ° C. to reach the maximum temperature section of 280 ° C., and then decreases by 5 to 10 ° C. to reach 260 ° C. It is most preferable.
상술한 바와 같이 본 발명은 3D 프린팅을 위한 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트를 적층하는 과정에서 품질의 저하가 발생한다는 문제를 해소하기 위하여 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트를 3D 프린터 상에서 사용하기 위하여 노즐에 필라멘트 절단장치를 포함하는 것으로 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트를 절단할 수 있게 한다.As described above, the present invention provides a carbon fiber-polymer composite filament for 3D printing in order to solve the problem of quality deterioration in the process of laminating the carbon fiber-polymer composite filament for 3D printing. In order to use the carbon fiber-polymer composite filament on the 3D printer, the filament is cut into the nozzle. The inclusion of a device makes it possible to cut carbon fiber-polymer composite filaments.
상기 필라멘트 공급부는 권취되어 있는 필라멘트를 상기 필라멘트 공급모듈(130)로 공급하는 부분으로 원활한 필라멘트의 공급을 위하여 상기 필라멘트 공급모듈(130)의 연직 방향에 위치하는 것이 바람직하지만 공장의 배치 및 원료 공급사정에 따라 직각 방향에 위치할 수도 있다. 이렇게 직각방향에 위치하는 경우 필라멘트의 공급을 위하여 내부에는 필라멘트의 공급방향을 바꿀 수 있는 추가적인 공급수단이 설치될 수 있으며, 이 공급수단은 곡선으로 구부러진 관을 사용하거나 도르래 또는 베어링의 회전을 이용하여 필라멘트의 방향을 바꾸는 수단을 사용할 수 있다.The filament supply part is a part that supplies the wound filament to the
상기 노즐은 상기 공급부에서 공급되는 필라멘트를 가열하여 분사하는 장치로, 위에서 살펴본 바와 같이, 상기 필라멘트 절단장치를 포함하며, 히터를 포함하는 것으로 필라멘트를 용융하여 분사할 수 있다. 이때 상기 히터는 상기 노즐을 200~400℃까지 가열할 수 있도록 설치되는 것이 바람직하다. 200℃미만으로 가열하는 경우 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트의 용융이 완전하지 않아 프린팅이 불가능할 수 있으며, 400℃를 초과하여 가열하는 경우 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트아 열분해되어 완성품의 품질이 떨어질 수 있다. 또한 상기 노즐은 1~5mm의 분사구를 가질 수 있다. 상기 분사구는 상기 필라멘트가 통과하여 분사되는 곳으로 필라멘트의 직경에 따라 다양한 노즐을 준비하여 각 필라멘트의 두께에 따라 교체하여 사용하는 것이 바람직하다. 다만 분사구의 직경이 1mm미만인 경우 프린팅에 많은 시간이 필요하여 경제성이 떨어지며, 5mm를 초과하는 경우 필라멘트의 내부의 용융이 완전하지 못하여 불량이 발생하거나, 세밀한 부분의 프린팅이 불가능해 질 수 있다.The nozzle is a device for heating and spraying the filament supplied from the supply unit. As described above, the nozzle includes the filament cutting device, and includes a heater to melt and spray the filament. At this time, the heater is preferably installed to heat the nozzle to 200 ~ 400 ℃. When heated to less than 200 ° C, printing may not be possible because the melting of the carbon fiber-polymer composite filament is not complete, and when heated to more than 400 ° C, the carbon fiber-polymer composite filament may be thermally decomposed and the quality of the finished product may deteriorate. In addition, the nozzle may have a nozzle of 1 to 5 mm. The injection port is a place through which the filament is injected, and it is preferable to prepare various nozzles according to the diameter of the filament and replace it according to the thickness of each filament. However, if the diameter of the nozzle is less than 1mm, it takes a lot of time for printing, so economical efficiency is lowered. If it exceeds 5mm, the internal melting of the filament is not complete, resulting in defects or printing of detailed parts may be impossible.
상기 탄소섬유-고분자 복합재 3D프린터는 챔버히터모듈을 추가로 포함할 수 있다. 상기 챔버히터모듈은 프린팅이 이루어지는 쳄버내부를 일정온도로 유지하기 위하여 설치되는 것으로 상기 챔버 내부를 40~80℃로 유지하여 프린팅 대상물 및 필라멘트를 일정온도로 유지하는 것이 바람직하다. 상기 챔버 내부의 온도가 40℃미만인 경우 프린팅 대상물의 온도가 낮아져 기 프린팅된 레이어가 빨리 경화되어 새로 프린팅되는 레이어사이에 접착력이 떨어질 수 있으며, 80℃를 초과하는 경우 프린팅 대상물의 경화가 늦어져 적층시 형체가 무너질 수 있다. The carbon fiber-polymer composite 3D printer may further include a chamber heater module. The chamber heater module is installed to maintain the inside of the chamber where printing is made at a constant temperature, and it is preferable to maintain the inside of the chamber at 40 to 80° C. to maintain the printing object and the filament at a constant temperature. If the temperature inside the chamber is less than 40 ℃, the temperature of the printing object is lowered, so the pre-printed layer is cured quickly, so that the adhesion between the newly printed layers may decrease. Poetry may collapse.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described so that those of ordinary skill in the art can easily implement them with reference to the accompanying drawings. In addition, in the description of the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or a known configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, certain features presented in the drawings are enlarged, reduced, or simplified for ease of description, and the drawings and components thereof are not necessarily drawn to scale. However, those skilled in the art will readily appreciate these details.
실시예Example
고분자 복합재의 제조 및 기계적 물성 평가Preparation of polymer composites and evaluation of mechanical properties
ABS 95 중량부에 강화계면상이 100nm인 탄소섬유 5 중량부를 16rpm으로 혼합하여 실시예를 제조하였으며, 비교예 1로는 현재 3D 프린터용 고분자 복합재의 세계 최고 수준인 미국의 Stratasys 사의 제품을 이용하였으며 비교예 2로는 상기 실시예 1과 동일한 필라멘트를 사용하되 FDM 3D프린터를 이용하여 출력하였다.An example was prepared by mixing 5 parts by weight of carbon fiber having a reinforcing interfacial phase of 100 nm to 95 parts by weight of ABS at 16 rpm, and as Comparative Example 1, a product from Stratasys of the United States, which is currently the world's highest level of polymer composite material for 3D printers, was used. As 2, the same filament as in Example 1 was used, but it was output using an FDM 3D printer.
실시예와 비교예의 기계적 물성을 평가하기 위해, 상기 실시예와 비교예의 고분자 복합재로 본 발명의 도 6에 나타난 프린터를 이용하여 인장시편(ASTM D 638) 및 굴곡시편(ASTM D 790)을 제작하여 인장강도, 인장탄성률, 굴곡강도 및 굴곡탄성률을 실험한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In order to evaluate the mechanical properties of Examples and Comparative Examples, tensile specimens (ASTM D 638) and bent specimens (ASTM D 790) were prepared using the printer shown in FIG. 6 of the present invention with the polymer composite of the Examples and Comparative Examples. The experimental results of tensile strength, tensile modulus of elasticity, flexural strength and flexural modulus are shown in Table 1 below.
상기 표1에 나타난 바와 같이 비교예 2의 경우 비교예 1에 비하여 높은 인장강도, 인장탄성률, 굴곡강도 및 굴곡탄성률을 가지는 것으로 나타났으며, 본 발명에 의한 실시예의 경우 비교예 1에 비하여 더욱 높은 물성을 가지는 것으로 나타났다 이는 본 발명의 필라멘트 절단기에 의하여 탄소섬유가 적절히 절단되어 프린팅된 결과인 것으로 판단된다.As shown in Table 1, Comparative Example 2 was found to have high tensile strength, tensile modulus, flexural strength and flexural modulus compared to Comparative Example 1, and the Example according to the present invention was higher than Comparative Example 1. It was found to have physical properties. This is judged to be a result of printing by appropriately cutting carbon fibers by the filament cutter of the present invention.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only presented as specific examples to easily explain the technical contents of the present invention and help the understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.
10 : 노즐
110 : 케이스
120 : 동력공급 모듈
130 : 필라멘트 공급모듈
140 : 필라멘트 절단모듈
150 : 탄성부재
160 : 댐퍼부
20 : 다관절 로봇
210 : 지지부
220 : 회전지지부
230 : 제1 관절부
240 : 제2 관절부10: nozzle 110: case
120: power supply module 130: filament supply module
140: filament cutting module 150: elastic member
160: damper 20: articulated robot
210: support 220: rotation support
230: first joint 240: second joint
Claims (7)
복수의 관절을 구비하여 상기 노즐과 결합되어 상기 노즐의 높이 및 위치를 다각도로 조정하는 다관절 로봇(20);을 포함하며,
상기 노즐은,
중공의 케이스(110)와, 상기 케이스(110) 내에 수평하게 결합되는 거치 플레이트(113), 상기 거치 플레이트(113)와 상기 케이스의 사이에 배치되는 동력공급 모듈(120), 상기 동력공급 모듈(120)에 수평방향으로 이격된 상태로 상기 거치 플레이트 상측에 수직하게 배치되어 필라멘트를 공급하는 필라멘트 공급모듈(130), 상기 필라멘트 공급모듈(130)의 하부에 수평방향을 따라 슬라이딩 가능하게 배치되는 슬라이딩 블럭(141) 및 상기 슬라이딩 블럭(141)의 하부에 고정결합되는 하부 커터(143) 및 상기 하부 커터(143)에 대해 슬라이딩 이동하는 상부 커터(142)를 포함하는 필라멘트 절단모듈(140)을 구비하고,
상기 필라멘트 공급모듈(130)을 통해 탄소섬유 필라멘트가 공급되는 과정에서, 상기 동력공급 모듈(120)은 상기 상부 커터(142)를 상기 하부 커터(143)에 대해 일정한 시간 간격으로 슬라이딩 운동시키고, 상기 상부 커터(142)는 상기 동력공급 모듈(120)을 통해 가해진 외력이 해제되는 경우 상기 케이스(110)와 상기 상부 커터(142) 사이에 배치된 탄성부재(150)를 통해서 원상복귀되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터.
a nozzle 10 for heating and spraying the filament supplied from the filament supply unit for supplying the carbon fiber-polymer composite filament; and
A multi-joint robot 20 provided with a plurality of joints and coupled to the nozzle to adjust the height and position of the nozzle in multiple angles; includes;
The nozzle is
The hollow case 110, the mounting plate 113 horizontally coupled in the case 110, the power supply module 120 disposed between the mounting plate 113 and the case, the power supply module ( 120) in a state spaced apart in the horizontal direction, the filament supply module 130 arranged vertically on the upper side of the mounting plate to supply the filament, the sliding disposed slidably along the horizontal direction at the lower part of the filament supply module 130 A filament cutting module 140 including a block 141 and a lower cutter 143 fixedly coupled to a lower portion of the sliding block 141 and an upper cutter 142 sliding with respect to the lower cutter 143 is provided. and,
In the process in which the carbon fiber filament is supplied through the filament supply module 130, the power supply module 120 slides the upper cutter 142 with respect to the lower cutter 143 at regular time intervals, and The upper cutter 142 is returned to its original state through the elastic member 150 disposed between the case 110 and the upper cutter 142 when the external force applied through the power supply module 120 is released. A carbon fiber-polymer composite articulated robot 3D printer having a filament cutting device to
상기 다관절 로봇(20)은,
지지부(210);
상기 지지부에 회전가능하게 결합되는 회전지지부(220);
일단이 상기 회전지지부에 회동가능하게 결합되어 일방향으로 연장되는 제1 관절부(230); 및
일단이 상기 제1 관절부의 타단에 회동가능하게 결합되어 일방향으로 연장되며, 타단에 상기 노즐(10)이 결합되는 제2 관절부(240);를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터.
According to claim 1,
The articulated robot 20,
support 210;
a rotation support part 220 rotatably coupled to the support part;
a first joint part 230 having one end rotatably coupled to the rotation support part and extending in one direction; and
One end is rotatably coupled to the other end of the first joint portion to extend in one direction, and a second joint portion (240) to which the nozzle (10) is coupled to the other end; carbon fiber-polymer composite multi-joint comprising a; Robot 3D printer.
상기 케이스(110)는,
상기 케이스(110)의 외부를 형성하는 상부 커버(111)와 하부 케이스(112), 상기 하부 케이스(112) 내부의 바닥면에 상기 필라멘트 절단모듈(140)을 지지하는 베이스 플레이트(114), 상기 베이스 플레이트(114)의 상부 양측 각각에 배치되는 지지블럭(115), 및 상기 지지블럭(115)의 상단에 배치되는 상기 거치 플레이트(113)를 포함하는 것을 특징으로 하는 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터.
According to claim 1,
The case 110,
The upper cover 111 and the lower case 112 forming the outside of the case 110, the base plate 114 for supporting the filament cutting module 140 on the bottom surface inside the lower case 112, the Carbon having a filament cutting device comprising a support block 115 disposed on each of the upper both sides of the base plate 114, and the mounting plate 113 disposed on the upper end of the support block 115 Fiber-polymer composite articulated robot 3D printer.
상기 동력공급 모듈(120)은,
상기 거치 플레이트(113)에 고정되는 구동 모터(121), 상기 구동 모터(121)를 이루는 구동축에 회전 가능하게 결합되는 회전 캠(122) 및 상기 베이스 플레이트(114)가 배치된 상태에서 상기 회전 캠(122)의 캠 축을 회전 가능하게 고정하는 캠 지지블럭(123)을 포함하는 것을 특징으로 하는 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터.
4. The method of claim 3,
The power supply module 120,
A drive motor 121 fixed to the mounting plate 113 , a rotation cam 122 rotatably coupled to a drive shaft constituting the drive motor 121 , and the rotation cam in a state in which the base plate 114 is disposed Carbon fiber having a filament cutting device, characterized in that it comprises a cam support block 123 for rotatably fixing the camshaft of (122) - a polymer composite articulated robot 3D printer.
상기 상부 커터(142)는
상기 슬라이딩 블럭(141)의 내부에 삽입 고정되고,
상기 상부 커터(142) 및 상기 하부 커터(143)는 상하부 방향을 따라 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터.
According to claim 1,
The upper cutter 142 is
Inserted and fixed in the inside of the sliding block (141),
The upper cutter 142 and the lower cutter 143 are carbon fiber-polymer composite articulated robot 3D printer having a filament cutting device, characterized in that disposed to face each other in the upper and lower directions.
상기 탄소섬유-고분자 복합재 필라멘트는
열가소성 수지 95 내지 99.9 중량부; 및
탄소섬유는 0.1 내지 5 중량부;를 포함하며,
상기 탄소섬유는 10 내지 1,000nm 두께의 강화 계면상을 가지고, 상기 탄소섬유 100 중량부에 계면재료 0.5 내지 30 중량부를 포함하여 상기 탄소섬유의 표면에 강화 계면상을 형성하며, 상기 계면재료는 강인화제 및 이행제를 포함하는 것을 특징으로 하는 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터.
According to claim 1,
The carbon fiber-polymer composite filament is
95 to 99.9 parts by weight of a thermoplastic resin; and
The carbon fiber includes; 0.1 to 5 parts by weight;
The carbon fiber has a reinforcing interfacial phase with a thickness of 10 to 1,000 nm, and includes 0.5 to 30 parts by weight of an interface material in 100 parts by weight of the carbon fiber to form a reinforcing interfacial phase on the surface of the carbon fiber, and the interface material is strong Carbon fiber having a filament cutting device, characterized in that it contains a chemical agent and a transfer agent - a polymer composite articulated robot 3D printer.
상기 열가소성 수지는 폴리 락트산(Poly lactic Acid, PLA) 또는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile Butadien Styrene, ABS)인 것을 특징으로 하는 필라멘트 절단장치를 구비하는 탄소섬유-고분자 복합재 다관절 로봇 3D프린터.7. The method of claim 6,
The thermoplastic resin is polylactic acid (PLA) or acrylonitrile butadiene styrene (Acrylonitrile Butadien Styrene, ABS) having a filament cutting device - a polymer composite articulated robot 3D printer.
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KR (1) | KR102344434B1 (en) |
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Citations (3)
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CN102990933A (en) * | 2012-12-13 | 2013-03-27 | 余金文 | Implementation method of selective laser sintering (SLS) technology and fiber implantation device |
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Patent Citations (3)
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