KR20210103478A - 부가 제조 장치용 수경성 조성물 및 주형의 제조 방법 - Google Patents

부가 제조 장치용 수경성 조성물 및 주형의 제조 방법 Download PDF

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유스케 이시이
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다이헤이요 세멘토 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 적어도 모래, 무기 결합재 및 폴리비닐알코올을 포함하는 부가 제조 장치용 수경성 조성물이며, 하기 (1) 및 (2)의 조건을 충족하는 부가 제조 장치용 수경성 조성물이다.
(1) 모래/(무기 결합재+폴리비닐알코올)의 질량비가 4 내지 12
(2) 폴리비닐알코올/무기 결합재의 질량비가 0.1 내지 0.4
또한, 본 발명은, 바람직하게는 하기 (3)의 조건을 충족하는, 청구항 1에 기재된 부가 제조 장치용 수경성 조성물이다.
(3) 물/(무기 결합재+폴리비닐알코올)의 질량비가 0.30 내지 1.30

Description

부가 제조 장치용 수경성 조성물 및 주형의 제조 방법
본 발명은 재령이 24시간 이내인 조기의 굽힘 강도 발현성이 우수한 부가 제조 장치(3D 프린터)용 수경성 조성물(이하, 「수경성 조성물」이라고 간결하게 기재하는 경우도 있음)과, 해당 조성물을 사용한 주형의 제조 방법에 관한 것이다.
주조는, 용융된 금속을 주형에 주입하여 주물을 제조하는 전통적인 금속 가공법이다. 이 주조에 사용하는 자경성 주형은, 사용하는 점결재(결합재)에 따라 유기계와 무기계가 있으며, 이 중 무기계는 주로 물유리계와 시멘트계가 있다. 단, 시멘트계 자경성 주형은, 주입 온도에 따라서는 포함되는 석고가 열분해되어 가스가 발생하고, 주물에 결함이 생겨, 미관이나 기능이 손상된다. 또한, 이 주형의 제조는 모형이나 목형의 제작이 전공정으로서 필수이지만, 이 전공정에는 시간과 비용이 든다.
그래서, 주물의 미관 등이 손상되지 않고, 해당 전공정이 불필요한 주형의 제조 수단이 요망된다.
그런데, 최근, 부가 제조 장치가 신속하면서 또한 정밀한 성형 수단으로서 주목받고 있다. 이 부가 제조 장치 중, 예를 들어 분말 적층 성형 장치는, 분말을 평면 상에 평탄화한 후, 해당 분말에 수성 결합제를 분사하여 고화한 고화물을 수직 방향으로 순차적으로 적층하여 성형하는 장치이다. 이 장치의 특징은, 3차원CAD 등으로 제작한 입체 성형체의 데이터를 다수의 수평면으로 분할하고, 이들 수평면의 형상을 순차적으로 적층하여 성형체를 제조하는 점에 있다.
그래서, 상기 장치를 사용하여 주형을 제조할 수 있다면, 상기 전공정은 불필요하게 되어 작업 시간과 비용을 삭감할 수 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 결합재 분사법(분말 적층 성형법)에 적합한 부가 제조 장치용 수경성 조성물로서, 규사, 올리빈 모래 및 인공 모래 등의 내화 모래에 속경 시멘트를 15 내지 50％ 배합하여 혼련(혼합)한 재료에, 수성 결합제를 첨가하여 고화 및 적층하여 성형체를 얻는 기술이 개시되어 있다. 여기서, 결합재 분사법이란, 적재대(받침대) 상에 둔 분체 재료의 소정의 범위에, 잉크젯 등의 노즐을 통하여 성형액을 적하 또는 분무하여 고화하고, 축차적으로 고화된 층을 적층하여 원하는 형상을 성형하는 방법이다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 재료를 사용하여 부가 제조 장치에 의해 제작한 성형체는, 조기 강도 발현성, 특히 굽힘 강도가 충분하지 않기 때문에 결손이 생기기 쉽고, 부가 제조 장치에 의한 성형 기술의 특징인 미세 형상품의 제조나, 제품의 안정 공급이 곤란한 경우가 있다.
또한, 복잡한 형상의 주형을 제조한 경우, 성형 후에 수축이나 팽창 등의 치수 변화가 일어나면, 균열이 발생하는 경우가 있다. 또한 제조한 주형 등의 성형체의 치수가 다르면, 성형체의 치수를 조정하는 작업이 필요하게 된다.
일본 특허 공개 제2011-51010호 공보
따라서, 본 발명은 재령이 24시간 이내인 조기의 굽힘 강도 발현성 및 치수 안정성이 우수한 부가 제조 장치용 수경성 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토한 결과, 특정 모래/(무기 결합재+폴리비닐알코올)의 질량비 등을 갖는 부가 제조 장치용 수경성 조성물은, 상기 목적을 달성할 수 있는 것을 알아내고, 본 발명을 완성시켰다.
즉, 본 발명은 하기의 구성을 포함하는 부가 제조 장치용 수경성 조성물 등이다.
[1] 적어도 모래, 무기 결합재 및 폴리비닐알코올을 포함하는 부가 제조 장치용 수경성 조성물이며, 하기 (1) 및 (2)의 조건을 충족하는, 부가 제조 장치용 수경성 조성물.
(1) 모래/(무기 결합재+폴리비닐알코올)의 질량비가 4 내지 12
(2) 폴리비닐알코올/무기 결합재의 질량비가 0.1 내지 0.4
[2] 추가로 하기 (3)의 조건을 충족하는, 상기 [1]에 기재된 부가 제조 장치용 수경성 조성물.
(3) 물/(무기 결합재+폴리비닐알코올)의 질량비가 0.30 내지 1.30
[3] 상기 무기 결합재가 칼슘 알루미네이트류 단독이거나, 또는 칼슘 알루미네이트류와 속경 시멘트의 합계를 100질량％로 하여 칼슘 알루미네이트류를 50질량％ 이상 100질량％ 미만 포함하는, 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 부가 제조 장치용 수경성 조성물.
[4] 상기 칼슘 알루미네이트류가 비정질 칼슘 알루미네이트인, 상기 [3]에 기재된 부가 제조 장치용 수경성 조성물.
[5] 부가 제조 장치와, 상기 [1] 내지 [4] 중 어느 것에 기재된 부가 제조 장치용 수경성 조성물을 사용하여 주형을 제조하는, 주형의 제조 방법.
본 발명의 부가 제조 장치용 수경성 조성물은, 조기의 굽힘 강도 발현성 및 치수 안정성이 높고, 또한 부가 제조 장치로부터의 분말 빠짐이 적으며, 또한 평탄화가 용이하다.
본 발명은 상기한 바와 같이, 적어도 모래, 무기 결합재 및 폴리비닐알코올을 포함하는 부가 제조 장치용 수경성 조성물 등이다. 이하, 본 발명에 대하여 모래, 무기 결합재 및 폴리비닐알코올 등으로 나누어 설명한다.
1. 모래
본 발명의 부가 제조 장치용 수경성 조성물 중의 모래/(무기 결합재+폴리비닐알코올)의 질량비는 4 내지 12이다. 해당 비가 4 미만이면, 수경성 조성물의 평탄화가 곤란한 경우가 있고, 12를 초과하면 수경성 조성물의 성형체의 굽힘 강도가 저하되고, 또한 부가 제조 장치로부터의 분말 빠짐이 생기는 경우가 있다. 또한, 해당 비는 바람직하게는 5 내지 11, 보다 바람직하게는 6 내지 10.5, 더욱 바람직하게는 7 내지 9이다.
또한, 상기 모래는 내화 모래라면 특별히 제한되지 않으며, 규사, 올리빈 모래, 지르콘 모래, 크로마이트 모래, 알루미나 모래 및 인공 모래 등으로부터 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.
2. 무기 결합재
상기 무기 결합재는, 하기 칼슘 알루미네이트류로부터 선택되는 1종 이상을 필수 성분으로서 포함하고, 또한 속경 시멘트를 임의 성분으로서 포함하는 무기계 결합재이다. 다음에, 칼슘 알루미네이트류 및 속경 시멘트 등으로 나누어 상세하게 설명한다.
(1) 칼슘 알루미네이트류
상기 칼슘 알루미네이트류는 3CaOㆍAl2O3, 2CaOㆍAl2O3, 12CaOㆍ7Al2O3, 5CaOㆍ3Al2O3, CaOㆍAl2O3, 3CaOㆍ5Al2O3 및 CaOㆍ2Al2O3 등의 칼슘 알루미네이트; 2CaOㆍAl2O3ㆍFe2O3 및 4CaOㆍAl2O3ㆍFe2O3 등의 칼슘 알루미노페라이트; 칼슘 알루미네이트에 할로겐이 고용 또는 치환된 3CaOㆍ3Al2O3ㆍCaF2 및 11CaOㆍ7Al2O3ㆍCaF2 등의 칼슘 플루오로알루미네이트를 포함하는 칼슘 할로알루미네이트; 8CaOㆍNa2Oㆍ3Al2O3 및 3CaOㆍ2Na2Oㆍ5Al2O3 등의 칼슘 나트륨알루미네이트; 칼슘 리튬알루미네이트; 알루미나 시멘트; 또한 이들에 Na, K, Li, Ti, Fe, Mg, Cr, P, F, S 등의 미량 원소(산화물 등을 포함함)가 고용된 광물로부터 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.
이들 칼슘 알루미네이트류 중에서도, 강도 발현성이 높고, 주형으로서 사용할 때 가스의 발생이 적은 점에서, 칼슘 알루미네이트가 바람직하고, 특히 비정질 칼슘 알루미네이트가 바람직하다. 비정질 칼슘 알루미네이트는 원료를 용융한 후, 급랭하여 제조하기 때문에, 실질적으로 결정 구조는 존재하지 않으며, 통상적으로 그 유리화율은 80％ 이상이고, 유리화율이 높을수록 조기 강도 발현성은 높기 때문에, 유리화율은 바람직하게는 90％ 이상이다.
칼슘 알루미네이트류의 CaO/Al2O3의 몰비는, 바람직하게는 1.5 내지 3.0, 보다 바람직하게는 1.7 내지 2.4이다. 해당 몰비가 1.5 이상에서 수경성 조성물의 조기 강도 발현성이 높고, 3.0 이하에서 수경성 조성물의 내열성이 높다.
또한, 칼슘 알루미네이트류의 블레인 비표면적(JIS R 5201에 규정하는 분말도)은, 충분한 조기 강도 발현성을 얻음과 함께 분진의 발생을 억제하기 위해, 바람직하게는 1000 내지 6000㎠/g, 보다 바람직하게는 1500 내지 5000㎠/g이다. 또한, 칼슘 알루미네이트류의 블레인 비표면적은, 부가 제조 장치에 의한 평탄화가 균일하며, 또한 주형의 강도가 저하되지 않기 위해서는, 더욱 바람직하게는 1500 내지 4000㎠/g, 특히 바람직하게는 2000 내지 3000㎠/g이다.
무기 결합재 중의 칼슘 알루미네이트류의 함유율은 50 내지 100질량％가 바람직하다. 해당 값이 50질량％ 이상이면, 수경성 조성물의 조기 강도 발현성과 내열성이 높다. 또한, 해당 값은 바람직하게는 60 내지 100질량％, 보다 바람직하게는 70 내지 100질량％, 더욱 바람직하게는 80 내지 100질량％이다.
(2) 속경 시멘트
상기 무기 결합재는, 조기 강도 발현성의 한층 더한 향상을 위해, 속경 시멘트(초속경 시멘트라고도 함)를 임의 성분으로서 포함할 수 있다. 상기 속경 시멘트는, 바람직하게는 JIS R 5210에 준거하여 측정한 응결(시발)이 30분 이내인 속경 시멘트 또는 지수 시멘트이다. 또한, 속경 시멘트 등의 시판품은, 슈퍼 제트 시멘트(다이헤이요 시멘트사제), 제트 시멘트(스미토모 오사카 시멘트사제), 라이온 시스이(등록 상표, 스미토모 오사카 시멘트사제) 또는 덴카 슈퍼 시멘트(덴카사제)를 들 수 있다. 그 중에서도 석고를 함유하는 속경 시멘트는 조기 강도 발현성이 높고, 소량의 석고 첨가가 용이하기 때문에 바람직하다.
무기 결합재 중의 속경 시멘트의 함유율은, 조기 강도 발현성을 향상시키고, 주형으로서 사용할 때 가스의 발생을 적게 하기 위해, 무기 결합재 전체를 100질량％로 하여 바람직하게는 0 내지 50질량％, 보다 바람직하게는 0 내지 30질량％, 더욱 바람직하게는 5 내지 20질량％이다.
(3) 무기 결합재 중의 그 밖의 임의 성분
상기 무기 결합재는, 그 밖의 임의 성분으로서 시멘트를 포함해도 된다. 해당 시멘트는, JIS R 5210에 준거하여 측정한 응결(시발)이 3시간 30분 이내라면, 성형으로부터 3시간 후의 조기 강도 발현성이 높기 때문에 바람직하며, 보다 바람직하게는 1시간 이내이다. 무기 결합재 중의 시멘트의 함유율은, 조기 강도 발현성의 향상을 위해, 무기 결합재 전체를 100질량％로 하여 바람직하게는 0 내지 50질량％, 보다 바람직하게는 0 내지 30질량％, 더욱 바람직하게는 0 내지 20질량％이다.
시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 중용열 포트랜드 시멘트, 저열 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트, 에코 시멘트, 고로 시멘트, 플라이 애시 시멘트 및 시멘트 클링커 분말로부터 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. 또한, 본 발명에서는 시멘트 클링커 분말도 시멘트에 포함시킨다.
또한, 시멘트 중의 규산칼슘의 함유율은, 시멘트 전체를 100질량％로 하여 바람직하게는 25질량％ 이상이다. 해당 함유율이 25질량％ 이상 있으면, 재령 1일 이후의 강도 발현성이 높다. 또한 장기 강도 발현성이 필요한 경우, 해당 함유율은 바람직하게는 45질량％ 이상이다.
또한, 무기 결합재는, 강도 발현성이나 분체 성상의 조정재 등으로서, 고로 슬래그, 플라이 애시, 실리카 퓸 및 소수성 퓸드 실리카 등의 임의 성분을 포함해도 된다. 또한, 경화 촉진제로서, 탄산알칼리 금속염, 락트산알칼리 금속염, 락트산알칼리 토류 금속염 및 규산알칼리 금속염 등을 임의 성분으로서 포함해도 된다.
3. 폴리비닐알코올
본 발명의 부가 제조 장치용 수경성 조성물 중의 폴리비닐알코올과 무기 결합재의 질량비는, 폴리비닐알코올/무기 결합재로 0.1 내지 0.4이다. 해당 비가 0.1 미만이면 초기 강도와 치수 정밀도가 낮은 경우가 있고, 0.4를 초과하면 치수 정밀도가 낮은 경우가 있다. 해당 비는 바람직하게는 0.15 내지 0.35, 보다 바람직하게는 0.20 내지 0.30이다. 또한, 폴리비닐알코올/(무기 결합재+모래)의 질량비는, 바람직하게는 0.01 내지 0.03이다. 해당 질량비가 0.01 미만이면, 초기 강도가 낮을 우려가 있고, 0.03을 초과하면, 치수 정밀도가 떨어지고, 또한 주형으로서 사용할 때 가스가 많이 발생하여 주물의 겉이 거칠어질 우려가 있다. 또한, 해당 질량비는 보다 바람직하게는 0.015 내지 0.025이다.
본 발명에서 사용하는 폴리비닐알코올은 폴리아세트산비닐의 부분 비누화물 또는 완전 비누화물이며, 비누화도는 더 높은 조기 강도 발현성이 얻어지기 때문에, 바람직하게는 85 내지 90몰％이다.
또한, 상기 폴리비닐알코올의 평균 입경(메디안 직경, D50)은, 높은 굽힘 강도가 얻어지기 때문에, 바람직하게는 10 내지 150㎛, 보다 바람직하게는 30 내지 90㎛이다. 또한, 폴리비닐알코올은 칼슘 알루미네이트류나 속경 시멘트 중 어느 것, 또는 칼슘 알루미네이트류 및 속경 시멘트와 혼합 분쇄하여 입도를 조정하면, 보다 세립으로 되어 균질하게 혼합할 수 있고, 수경성 조성물의 조기 강도 발현성이 보다 높아진다.
상기 폴리비닐알코올은, 분체의 상태로 무기 결합재나 모래와 혼합하여 사용하거나, 또는 후술하는 물에 용해하여 사용해도 된다.
4. 물
상기 물/(무기 결합재+폴리비닐알코올)의 질량비는, 바람직하게는 0.30 내지 1.30이다. 해당 질량비가 0.30 미만이면 굽힘 강도가 낮은 경향에 있고, 1.30을 초과하면 굽힘 강도와 치수 정밀도가 낮아질 우려가 있다. 또한, 해당 질량비는, 주형의 굽힘 강도와 치수 정밀도를 보다 높이기 위해, 보다 바람직하게는 0.40 내지 1.30, 더욱 바람직하게는 0.50 내지 1.20, 가장 바람직하게는 0.70 내지 1.05이다.
5. 조형물 또는 주형의 제조 방법
해당 제조 방법은, 부가 제조 장치와 본 발명의 수경성 조성물을 사용하여 성형체를 제작하고, 조형물 또는 주형을 제조하는 방법이다. 부가 제조 장치는 특별히 한정되지 않으며, 분말 적층형 부가 제조 장치 등의 시판품을 사용할 수 있다. 또한, 물을 포함하기 전의 수경성 조성물은, 상기 수경성 조성물의 성분을 시판 중인 혼합기 또는 수작업으로 혼합하여 조제한다. 또한, 결합재로서 복수의 재료를 사용하는 경우, 결합재를 미리 시판 중인 혼합기나 수작업으로 혼합하거나, 분쇄기로 동시에 분쇄해도 된다.
성형체의 양생 방법은, 기중 양생 단독, 기중 양생한 후에 계속해서 수중 양생하는 방법, 또는 표면 함침제 양생 등이 있다. 이들 중에서도 조기 강도 발현성의 향상과, 주물의 제조 시에 발생하는 수증기를 억제하기 위해, 기중 양생 단독이 바람직하다. 또한, 칼슘 알루미네이트류, 폴리비닐알코올 및 속경 시멘트 등에 의한 강도 증진을 위해, 기중 양생의 온도는 바람직하게는 10 내지 100℃, 보다 바람직하게는 30 내지 80℃이다. 또한, 기중 양생의 상대 습도는, 충분한 강도 발현과 생산 효율의 향상을 위해, 바람직하게는 10 내지 90％, 보다 바람직하게는 15 내지 80％, 더욱 바람직하게는 20 내지 60％이다. 또한, 기중 양생 시간은, 충분한 강도 발현성과 생산 효율의 향상을 위해, 바람직하게는 1시간 내지 1주일, 보다 바람직하게는 2시간 내지 5일간, 더욱 바람직하게는 3시간 내지 4일간이다.
조형물로서 사용하기 위해서는, 실용성의 점에서, 굽힘 강도의 목표값은 바람직하게는 재령 3시간이고, 적어도 운반할 수 있는 강도인 0.3N/㎟ 이상이며, 더욱 바람직하게는 재령 24시간이고, 파손되지 않고 사용할 수 있는 강도인 1.0N/㎟ 이상이다. 또한 주형으로서 사용하는 경우, 치수차는 바람직하게는 설계값과 수경성 조성물(주형)의 치수차인 100±5％의 범위 내이다.
또한, 상기 수경성 조성물을 주형으로서 사용하는 경우, 성형체의 재령 3일의 강열 감량은 바람직하게는 6.5질량％ 이하, 보다 바람직하게는 5.0질량％ 이하, 더욱 바람직하게는 4.5질량％ 이하이다. 강열 감량이 6.5질량％ 이하이면 주물에 블로우 홀 등의 결함이 생기는 일은 없다. 여기서, 상기 강열 감량은, 주형으로서 사용할 때의 가스 발생량의 지표이며, 해당 가스는 수분이나 황분 등을 포함한다. 또한, 강열 감량은, 성형체를 주형으로서 사용하는 경우, 양생 종료 시에 측정해도 되지만, 보다 엄격하게 관리하는 경우에는, 바람직하게는 3일간 양생 후에, 보다 바람직하게는 3시간 양생 후에, 성형체를 건조나 분쇄하지 않고, 그대로 1400℃에서 항량이 될 때까지 가열하여, 가열 전후의 성형체의 질량을 측정하고, 가열 전후의 성형체의 질량의 차×100/가열 전의 성형체의 질량의 식에 기초하여 산출한다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.
1. 사용한 재료
(1) 인공 모래
(i) 상품명 에스펄 ＃180L(약호: EP)
알루미나계이고, 야마카와 산교사제이다.
(ii) 상품명 나이가이 세라비즈 #1450(약호: SB1)
알루미나계이고, 이토츄 세라테크사제이다.
(iii) 상품명 나이가이 세라비즈 #1700(약호: SB2)
알루미나계이고, 이토츄 세라테크사제이다.
(iv) 상품명 지르콘 샌드(약호: ZS)
주성분은 규산지르코늄이고, 메디안 직경(D50)은 100㎛이고, 하쿠스이 테크사제이다.
(v) 상품명 지르콘 플라워 A-PAX(약호: ZF)
주성분은 규산지르코늄이고, 메디안 직경(D50)은 1㎛이고, 긴세이 마테크사제이다.
(vi) 상품명 지르코실 No.1 200메쉬(약호: Z)
주성분은 규산지르코늄이고, 메디안 직경(D50)은 24㎛이고, 하쿠스이 테크사제이다.
(vii) 상품명 알루미나 플라워 #200(약호: AF)
알루미나계이고, 200메쉬의 체를 통과한 성분이고, 에이스 산쇼사제이다.
(viii) 멀라이트(약호: MU)
상기 (ii)의 나이가이 세라비즈 #1450을 볼 밀로 분쇄하여 얻은 분쇄품이고, 해당 분쇄품의 블레인 비표면적은 2700㎠/g이다.
(2) 칼슘 알루미네이트류
(i) 비정질 칼슘 알루미네이트(약호: CA1, CA2, CA3)
비정질 칼슘 알루미네이트의 CaO/Al2O3의 몰비는 2.2, 유리화율은 95％ 이상, 시제품이다. 또한, 비정질 칼슘 알루미네이트의 블레인 비표면적은, CA1에서 2040㎠/g, CA2에서 3490㎠/g 및 CA3에서 2680㎠/g이다.
(ii) 알루미나 시멘트(약호: AC)
상품명 덴카 알루미나 시멘트 1호, 블레인 비표면적은 4570㎠/g이고, 덴카사제이다.
(3) 폴리비닐알코올(약호: PVA)
품번 22-88 S1(PVA217SS), 구라레사제이다.
비누화도는 87 내지 89％, 평균 입경(메디안 직경, D50)은 60㎛이고, 94㎛보다 큰 입자의 함유율은 29질량％ 및 77㎛보다 큰 입자의 함유율은 47질량％이고, 10％ 직경(D10)은 25㎛ 및 90％ 직경(D90)은 121㎛이다.
또한, 상기 폴리머의 입경은 모두 실리콘 오일을 매질에 사용하여 시마즈 세이사쿠쇼제 SALD-2000J에 의해 측정하였다.
(3) 속경 시멘트
(i) 상품명 슈퍼 제트 시멘트(약호: SJC)
규산칼슘의 함유율은 47질량％, 응결(시발)은 30분 및 블레인 비표면적은 4700㎠/g, 다이헤이요 시멘트사제이다. 단, 무수 석고를 14질량％ 포함한다.
(ii) 지수 시멘트
상품명 라이온 시스이 105, 스미토모 오사카 시멘트사제이다.
(4) 조강 포틀랜드 시멘트
규산칼슘의 함유율은 75질량％, 응결(시발)은 30분, 블레인 비표면적은 4000㎠/g, 다이헤이요 시멘트사제이다.
(5) 석고
천연 무수 석고, 타이산이고 블레인 비표면적은 7200㎠/g이다.
(6) 물
상품명 ProJet660Pro용 결합제액, 3질량％의 글리세롤 수용액이고, 3D 시스템즈사제이다.
2. 수경성 조성물 및 공시체의 제작
상기 모래, 칼슘 알루미네이트류, 속경 시멘트, 시멘트, 석고 및 폴리비닐알코올을, 표 1 내지 표 3에 나타내는 배합에 따라 혼합하여 수경성 조성물을 제작하였다.
다음에, 해당 수경성 조성물과, 부가 제조 장치로서 결합제 분사식 분말 적층 성형 장치(상품명: ProJet660Pro 3D 시스템즈사제)를 사용하여, 20℃, 상대 습도 60％의 조건 하에서, 결합제 분사법에 의해 단면의 치수가 세로 10mm, 가로 16mm 및 길이 80mm의 성형체를 제작하였다. 이 성형체는 40℃, 상대 습도 30％의 조건 하에서 3시간 및 24시간 기중 양생하여 공시체를 제작하였다. 또한, 실시예 1 내지 32의 수경성 조성물을 사용하여, 20℃, 상대 습도 60％의 조건 하에서, 마찬가지로 하여 주형을 제작한 후, 해당 주형은 40℃, 상대 습도 30％의 조건 하에서 24시간 기중 양생하였다.
또한, 상기 장치에 의한 성형체의 제조에서는, 상기 장치의 수량 설정값을 표 1 내지 표 3에 나타내는 바와 같이 외부(Shell)와 내부(Core)에서 조정하여, 분체 혼합물의 외부와 내부에 노즐로부터 물을 분사하여, 수경성 조성물을 고화하였다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
3. 공시체의 굽힘 강도, 공시체의 치수, 작업성 및 내열성의 측정
다음에, 상기 공시체를 사용하여, 굽힘 강도 시험기(형번: MODEL-2257, 아이코 엔지니어링사제)에 의해 3점 굽힘 시험을 행하여, 상기 공시체의 굽힘 강도를 측정하였다.
또한, 내열성은 알루미나판 상에 상기 공시체를 적재한 후, 1500℃에서 1시간 가열하여 알루미나판에 대한 공시체의 융착 유무를 관찰하였다.
이들의 결과를 표 4 내지 표 6에 나타낸다.
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
4. 시험 결과
(1) 굽힘 강도, 치수 안정성 및 작업성에 대하여
표 4 내지 표 6의 실시예 1 내지 32에 나타내는 바와 같이, 상기 (1) 및 (2)의 조건을 충족하는 부가 제조 장치용 수경성 조성물 및 그의 공시체는, 재령 3시간의 굽힘 강도가 0.7N/㎟ 이상, 재령 24시간의 굽힘 강도가 1N/㎟ 이상으로 높고,분말 빠짐이 없으며, 또한 평탄화가 양호하였다.
한편, 표 3의 비교예 1 내지 4에 나타내는 바와 같이, 상기 (1) 및 (2) 중 어느 조건을 충족하지 않는 부가 제조 장치용 수경성 조성물을 사용하여 작성한 공시체에서는, 굽힘 강도가 낮거나, 재령 3시간 및 재령 24시간 전부 치수 안정성이 낮거나, 평탄화 시 이외에도 수경성 조성물의 유동성이 높기 때문에 분말 공급조로부터 분말이 빠져 나오거나, 또는 평탄화의 표면이 물결치거나 하는 등의 과제가 있었다.
상기 실시예 중에서도 물/결합재비가 작으면 굽힘 강도가 저하되는 경향이 있다. 또한, 물/결합재비가 크면, 굽힘 강도가 높아도 치수 정밀도가 떨어지는 경향이 있다. 또한, 칼슘 알루미네이트 중에서도 알루미나 시멘트보다 비정질 칼슘 알루미네이트를 사용하는 편이 조기에 강도 발현되는 것을 알 수 있다.
(2) 내열성에 대하여
표 6에 나타내는 바와 같이, 모래/결합재비가 7 이상인 실시예 24 내지 32에서는, 1500℃에서 가열한 후에도 알루미나판에 대한 융착이 없고 내열성이 높다.
또한, 사용한 인공 모래 중에서도, 알루미나계 또는 규산지르코늄이 주성분인 미분말을 사용한 수경성 조성물의 경화체의 내열성은 높았다.
5. 주물의 제작
또한, 상기 실시예 1 내지 32의 수경성 조성물을 사용하여 제작한 주형에 주강을 유입시켜 주물을 제작한 바, 어느 실시예도 표면이 평활한 주물을 제조할 수 있었다.

Claims (5)

  1. 적어도 모래, 무기 결합재 및 폴리비닐알코올을 포함하는 부가 제조 장치용 수경성 조성물이며, 하기 (1) 및 (2)의 조건을 충족하는, 부가 제조 장치용 수경성 조성물.
    (1) 모래/(무기 결합재+폴리비닐알코올)의 질량비가 4 내지 12
    (2) 폴리비닐알코올/무기 결합재의 질량비가 0.1 내지 0.4
  2. 제1항에 있어서, 추가로 하기 (3)의 조건을 충족하는, 부가 제조 장치용 수경성 조성물.
    (3) 물/(무기 결합재+폴리비닐알코올)의 질량비가 0.30 내지 1.30
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 무기 결합재가 칼슘 알루미네이트류 단독이거나, 또는 칼슘 알루미네이트류와 속경 시멘트의 합계를 100질량％로 하여 칼슘 알루미네이트류를 50질량％ 이상 100질량％ 미만 포함하는, 부가 제조 장치용 수경성 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 칼슘 알루미네이트류가 비정질 칼슘 알루미네이트인, 부가 제조 장치용 수경성 조성물.
  5. 부가 제조 장치와, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 부가 제조 장치용 수경성 조성물을 사용하여 주형을 제조하는, 주형의 제조 방법.
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