KR20210143511A - 3d 프린팅용 지오폴리머 조성물 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 - Google Patents

3d 프린팅용 지오폴리머 조성물 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 Download PDF

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김경복
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Abstract

본 발명은 유동성을 확보하면서도 출력 후 경화시간을 단축시킬 수 있는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물은 Na 계열의 지오폴리머로 이루어진 주재에 대하여, 상기 주재의 함량 100중량부에 대하여 Ca(OH)2로 이루어진 급결제를 2 ~ 4중량부 포함한다.

Description

3D 프린팅용 지오폴리머 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법{Geopolymer composition for 3D printing and method for 3D printing using the same}
본 발명은 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유동성을 확보하면서도 출력 후 경화시간을 단축시킬 수 있는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
지오폴리머(Geopolymer)는 실리콘 기반 무기중합체로서 수세기 동안 벽돌 등의 건축 소재로 사용되고 있다. 보통의 지오폴리머 조성물은 원소 주기율표 1족 금속(알칼리금속)을 포함하는 원소들을 함유한다.
일반적으로 지오폴리머 물질은 sol-gel 형태의 소재로서, 지오폴리머 조성물을 이용하여 제품을 제조하기 위해서는 소정 형상의 구조를 갖는 금형에 지오폴리머 조성물을 주입하고 이를 경화시켜 제품을 제조하는 몰드-캐스팅(mold-casting) 방식이 이용되고 있다.
그러나 기존의 몰드-캐스팅(mold-casting) 방식은 설계의 자유도가 한정되고, 전체 부품을 구성하기 위해서는 요소 부품들을 개별적으로 제조한 다음 각각의 요소 부품들을 다시 조립하는 방식이 적용되고 있다. 그렇기 때문에 지오폴리머 조성물을 기존의 몰드-캐스팅(mold-casting) 방식으로 제품을 제조하는 경우에는 공정수가 늘어나고 복잡한 형상의 제품을 제조하는 것이 어렵다는 한계가 있었다.
그래서, 지오폴리머 조성물을 이용한 새로운 성형 공정이 요구되고 있다.
한편, 3D 프린팅 기술은 가공 자유도가 매우 높아 복잡한 디자인의 제품도 제작이 가능하고, 제품 제조를 위한 별도의 금형 제작을 최소화할 수 있고, 요소 부품으로 제조된 제품을 볼트 및 너트 등의 체결수단을 이용하여 전체 부품을 조립하는 것을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
이에, 최근에는 자동차 산업에서 3D 프린팅 기술을 적용한 부품의 연구가 활발하게 진행되고 있고, 3D 프린팅 기술이 자동차의 경량화에도 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
하지만, 3D 프린팅 기술에 사용되는 재료 소재는 원활한 프린팅을 위하여 프린팅이 실시되는 3D 프린팅 장치에서의 유동성이 확보되어야 하는 동시에, 출력 후 경화 시간을 단축시켜야 한다.
그래서, 본 발명자는 지오폴리머 조성물을 3D 프린팅 기술에 적용할 수 있도록 지오폴리머 조성물의 유동성 및 급결성을 확보하기 위한 연구를 지속하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
등록특허공보 제10-1771404호 (2017.08.21)
본 발명은 유동성을 확보하면서도 출력 후에는 급결성을 확보할 수 있는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물은 Na 계열의 지오폴리머로 이루어진 주재에 대하여, 상기 주재의 함량 100중량부에 대하여 Ca(OH)2로 이루어진 급결제를 2 ~ 4중량부 포함한다.
상기 주재는 산화나트륨(Na2O), 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 및 물(H2O)이 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 주재에 함유되는 물(H2O)은 9 ~ 10.5 mole%인 것이 바람직하다.
상기 주재는 Na2O·Al2O3·4SiO2·10H2O인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법은 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 3D 프린팅 장치의 노즐로 토출하여 출력물을 프린팅하는 3D 프린팅 방법으로서, Na 계열의 지오폴리머로 이루어진 주재를 준비하는 제1준비단계와; Ca(OH)2로 이루어진 급결제를 준비하는 제2준비단계와; 상기 주재와 급결제를 노즐로 공급하여 혼합하면서 이동시키는 공급단계와; 상기 노즐에 형성된 토출구를 통하여 주재와 급결제가 혼합된 지오폴리머 조성물을 토출시키는 토출단계를 포함한다.
상기 제1준비단계에서 준비되는 주재는 산화나트륨(Na2O), 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 및 물(H2O)이 혼합되어 이루어지고, 상기 주재에 함유되는 물(H2O)은 9 ~ 10.5 mole%인 것이 바람직하다.
상기 제1준비단계에서 준비되는 주재는 Na2O·Al2O3·4SiO2·10H2O이고, 상기 공급단계에서 공급되는 급결제는 상기 주재의 함량 100중량부에 대하여 2 ~ 4중량부가 공급되어 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 노즐은 주재가 혼합되면서 이송되는 믹싱존과, 상기 믹싱존의 선단에 배치되어 연통되면서 상기 토출구가 형성되어 주재를 노즐의 외부로 토출시키는 출력존으로 구분되고, 상기 공급단계는, 상기 주재를 믹싱존으로 공급하는 주재 공급과정과; 상기 급결제를 상기 노즐의 출력존으로 공급하는 급결제 공급과정으로 구분되는 것을 특징으로 한다.
CaCO3로 이루어진 지연제를 준비하는 제3준비단계를 더 포함하고, 상기 공급단계는 상기 지연제를 믹싱존에 공급하는 지연제 공급과정을 더 포함한다.
상기 공급단계에서 상기 주재와 급결제의 혼합 및 이송은 상온에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 지오폴리머 조성물을 구성하는 주재에 급결제를 적정 비율로 혼합하여 지오폴리머의 유동성을 우수하게 유지하면서 출력 후에는 급결성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 지오폴리머 조성물을 3D 프린팅의 소재로 사용하여 디자인 측면에서 자유도를 확보하면서도 강도와 내구성이 좋은 출력물을 성형할 수 있는 할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
특히, 주재에 혼합되는 급결제의 첨가량 및 혼합 시기를 조절하여 주재의 유동성을 확보함으로써, 주재를 토출하기 위하여 준비되는 노즐을 가열시키는 공정을 생략할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 급결제의 첨가량에 따른 지오폴리머 조성물의 경화 시간 변화를 보여주는 그래프이고,
도 2는 급결제의 첨가량에 따른 지오폴리머 조성물의 압축 강도 변화를 보여주는 그래프이며,
도 3은 본 발명이 일 실시예에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법이 적용되는 노즐을 보여주는 도면이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법이 적용되는 노즐을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물은 Na 계열의 지오폴리머로 이루어진 주재에 급결제를 혼합하여 이루어진다.
일반적인 지오폴리머 조성물을 형성하는 주재는 +1가 금속 원소, 알루미나, 실리카 및 물을 혼합하여 이루어진다. 이때 +1가 금속 원소는 Na, K 및 Cs 등이 사용될 수 있다.
본 실시예에서는 급결제와의 반응성을 고려하여 +1가 금속 원소로 Na를 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들어 본 실시예에서는 지오폴리머 조성물을 형성하는 주재로 산화나트륨(Na2O), 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 및 물(H2O)이 혼합되어 이루어진다.
이때 주재에 함유되는 물(H2O)은 9 ~ 10.5 mole%인 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 주재에 함유되는 물(H2O)은 10 mole%를 유지하는 것이 좋다. 그래서 본 실시예에서 사용되는 주재는 Na2O·Al2O3·4SiO2·10H2O로 표현될 수 있다.
한편, 급결제는 노즐을 통하여 토출되는 주재가 경화되는 시간을 단축시키기 위하여 첨가되는 첨가제로서, 본 실시예에서는 Na 계열의 지오폴리머로 이루어진 주재와의 반응성을 고려하여 Ca(OH)2로 이루어진 급결제를 사용한다.
Ca(OH)2는 AlSi 지오폴리머에 첨가되어 C-A-S-H와 지오폴리머를 생성시킨다. 그리고, Ca(OH)2는 지오폴리머의 경화를 가속시키고, 초기 또는 지속적인 강도 증대 효과를 얻을 수 있다. 다만, 급결제인 Ca(OH)2의 첨가량은 소정의 첨가량을 초과하는 경우에 압축 강도를 저하시키는 단점이 있다. 그래서 주재에 첨가되는 급결제의 첨가량을 제한하는 것이 바람직하다.
예를 들어 급결제는 주재의 함량 100중량부에 대하여 2 ~ 4중량부 첨가한다. 더욱 바람직하게는 주재의 함량 100중량부에 대하여 3 ~ 4중량부를 첨가하는 것이 좋다.
급결제의 첨가량이 제시된 범위보다 적을 경우에는 압축 강도 향상에 대한 효과를 기대할 수 있지만, 경화 시간 단축에 따른 급결성을 향상시키는 효과가 미비해지고, 첨가량이 제시된 범위보다 많을 경우에는 경화 시간 단축에 따른 급결성의 향상효과는 더 향상되지 않지만, 압축 강도가 저하되는 단점이 있다.
한편, 본 실시예에서는 노즐을 통하여 주재를 이송시키는 동안 유동성을 확보하기 위하여 주재에 지연제를 더 첨가할 수 있다. 이때 지연제는 Na 계열의 지오폴리머로 이루어진 주재와의 반응성을 고려하여 CaCO3로 이루어진 지연제를 사용할 수 있다.
그리고, 지연제는 주재의 함량 100중량부에 대하여 1 ~ 3중량부 첨가하는 것이 바람직하다.
지연제의 첨가량이 제시된 범위보다 적을 경우에는 지연제 첨가에 따른 주재의 유동성 확보 효과를 기대할 수 없고, 첨가량이 제시된 범위보다 많을 경우에는 경화 시간 지연에 따라 출력물을 원하는 형상으로 출력하기 어렵고, 압축 강도도 저하되는 단점이 있다.
다음으로 상기와 같이 준비되는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 비교예와 비교하여 설명한다.
먼저, 급결제인 Ca(OH)2의 첨가량에 따른 지오폴리머 조성물의 경화 시간에 대한 변화를 관찰하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 Ca(OH)2의 첨가량은 주재의 함량 100중량부에 대한 중량부이다.
이때 지오폴리머 조성물은 주재로 Na2O·Al2O3·4SiO2·10H2O를 사용하였고, 상기 주재의 함량 100중량부에 대하여 Ca(OH)2의 첨가량을 변화시키면서 그에 따른 지오폴리머 조성물의 경화 시간을 측정하였다.
본 시험은 ASTM C191(Standard Test Methods for Time of Setting of Hydraulic Cement by Vicat Needle)를 통한 소재 급결성 확인 방법인 Vicat test를 이용하여 실시하였다.
도 1에서 확인할 수 있듯이, 급결제인 Ca(OH)2를 첨가하게 되면 지오폴리머 조성물의 경화시간이 단축되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 급결제의 첨가량이 점점 증가하여 4중량부를 초과하게 되면 경화시간 단축의 향상 효과가 미비해지는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는 Ca(OH)2 첨가량이 2중량부까지는 지오폴리머 내 C-A-S-H 량이 증가하면서 C-A-S-H 결정체가 강화요소(reinforcement)로 작용하여 강도가 향상되는 것으로 유추할 수 있다. 하지만, Ca(OH)2 첨가량이 4w중량부를 초과하게 되면 Ca2+의 반응성이 Na+보다 높아 C-A-S-H 형성이 우선시되고 그 양이 증가함에 따라 지오폴리머 형성을 방해하여 오히려 강도가 저하되는 것으로 유추할 수 있다.
다음으로는, 급결제인 Ca(OH)2의 첨가량에 따른 지오폴리머 조성물의 경화 후 압축 강도 변화를 관찰하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 Ca(OH)2의 첨가량의 첨가량은 주재의 함량 100중량부에 대한 중량부이다.
이때도 마찬가지로 지오폴리머 조성물은 주재로 Na2O·Al2O3·4SiO2·10H2O를 사용하였고, 상기 주재의 함량 100중량부에 대하여 Ca(OH)2의 첨가량을 변화시키면서 그에 따른 지오폴리머 조성물의 경화 후 압축 강도의 변화를 측정하였다.
본 시험은 지오폴리머 조성물이 완전히 경화된 후 실시하였다.
도 2에서 확인할 수 있듯이, 급결제인 Ca(OH)2를 소량 첨가하게 되면 지오폴리머 조성물이 경화 후 압축 강도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 급결제의 첨가량이 2중량부를 피크로 하여 압축 강도의 향상 효과가 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 그래서 급결제의 첨가량이 4중량부에서 급결제를 첨가하지 않은 지오폴리머 조성물과 유사한 압축 강도를 유지하였고, 급결제의 첨가량이 4중량부를 초과하는 경우에는 오히려 급결제를 첨가하지 않은 지오폴리머 조성물보다 압축 강도가 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로는, 급결제로 Ca(OH)2를 선택한 이유를 설명하기 위하여 지오폴리머 조성물에 급결성을 확보하기 위하여 사용될 수 있는 CaO와 Ca(OH)2의 첨가량 변화 및 가열 유무에 따라 경화 완료 시간의 변화를 관찰하였고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다. 여기서 급결제의 첨가량은 주재의 함량 100중량부에 대한 중량부이다.
구분 급결제 첨가량 CaO Ca(OH)2
No.1 Pure KGP 20hr 20hr
No.2 1 중량부 15hr 16hr
No.3 2 중량부 14hr 7hr
No.4 4 중량부 4hr 1.6hr
No.5 4 중량부 + 60℃가열 1hr 0.9hr
No.6 Pure KGP + 60℃가열 1hr 0.9hr
상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, 급결제의 첨가량이 1중량부인 No.2 비교의 경우에는 Ca(OH)2 보다 CaO를 급결제로 사용한 경우에 경화 완료 시간이 미비하게 단축되는 것을 확인할 수 있었다.
하지만, No.3 및 No.4 비교의 경우와 같이 급결제의 첨가량이 2 ~ 4중량부인 경우에는 CaO 보다 Ca(OH)2를 급결제로 사용한 경우에 경화 완료 시간이 현저하게 단축되는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, No.1 내지 No.4 비교를 통하여 급결제로 Ca(OH)2를 선택하면서 첨가량을 2 ~ 4 중량부로 한정하는 것이 지오폴리머 조성물의 경화 완료 시간을 단축하는데 유리하다는 것을 확인할 수 있었다.
다만, 급결제를 첨가하지 않거나 급결제의 첨가량을 4중량부로 고정한 상태에서 지오폴리머를 60℃로 가열하는 경우에는 급결제의 유무보다 가열의 유무가 경화 완료 시간을 단축하는데 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
또한, No.1 및 No.6 비교의 경우에서 알 수 있듯이, 지오폴리머를 가열하는 것이 경화 완료 시간을 단축하는데 크게 효과적인 것을 확인할 수 있었다.
하지만, 지오폴리머를 소정의 온도로 가열하는 것은 추가적인 장치 및 공정이 필요하다는 단점이 있다.
상기와 같이 이루어지는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법이 적용되는 노즐에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명이 일 실시예에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법이 적용되는 노즐을 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 3D 프린팅 방법이 적용되는 노즐(100)은 지오폴리머 조성물(P2)이 혼합되면서 이송되어 최선단에 형성된 토출구(120)를 통하여 토출시키는 장치로써, 후단으로 지오폴리머 조성물(P2)을 형성하는 주재가 공급될 수 있도록 주재 공급배관(400)이 연결된다.
예를 들어 노즐(100)은 내부가 중공된 파이프 타입으로 형성되고, 최선단은 직경이 점점 줄어들면서 토출구(120)를 형성한다. 그리고, 중공된 내부에는 노즐(100)의 길이방향을 따라 이송스크류(110)가 내장되어 지오폴리머 조성물(P2)을 혼합시키면서 토출구(120) 방향으로 이송시킨다.
이때 노즐(100)은 길이방향을 따라 믹싱존(Z1)과 출력존(Z2)으로 구분될 수 있다. 이때 믹싱존(Z1)과 출력존(Z2)은 노즐(100)의 내부에 구획수단을 구비하여 구조적으로 구획되는 것이 아니라 토출구(120)와 인접한 영역을 출력존(Z2)으로 정의하고, 그 이외의 영역을 믹싱존(Z1)으로 정의하는 것이다. 물론 믹싱존(Z1)과 출력존(Z2)은 이에 한정되지 않고, 노즐(100)의 내부에 구획수단을 구비하여 구조적으로도 구분할 수 있을 것이다. 하지만, 본 실시예에서는 주재(P1)의 원활한 이송을 위하여 구획수단에 의한 구조적인 구획을 채택하지 않았다.
그래서, 믹싱존(Z1)에서는 주재(P1)가 혼합되면서 이송되고, 출력존(Z2)에서는 토출구(120)를 통하여 주재(P1)를 노즐(100)의 외부로 토출시킨다.
한편, 본 실시예에서는 급결제(A1)가 주재(P1)와 혼합되는 시기를 조절하여 주재(P1)의 유동성을 우수하게 유지하면서, 출력 후 경화 시간을 단축시킨다.
이를 위하여 본 실시예에서는 노즐(100)의 출력존(Z2)으로 급결제(A1)를 공급하여 주재(P1)가 노즐(100)에서 토출되기 직전에 급결제(A1)가 혼합되도록 한다.
그래서, 노즐(100)의 출력존(Z2)에는 급결제(A1)를 공급하기 위한 제1첨가제 공급배관(200)이 연결될 수 있다. 이때 제1첨가제 공급배관(200)은 주재(P1)와 급결제(A1)가 혼합되는 공간을 제공하기 위하여 토출구(120)와 소정 거리만큼 이격된 지점으로 연결되는 것이 바람직하다.
한편, 노즐을 통하여 주재를 이송시키는 동안 주재의 유도성을 확보하기 위하여 노즐의 구조를 변형할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법이 적용되는 노즐을 보여주는 도면이다.
본 실시예에서는 노즐(100)을 통하여 주재(P1)가 이송되는 동안 주재(P1)의 유동성을 확보하기 위하여 주재(P1)에 지연제(A2)를 더 첨가하는데, 이때 지연제(A2)는 노즐(100)의 믹싱존(Z1)으로 공급되어 주재(P1)가 이송되는 동안 혼합되어 유동성을 확보할 수 있도록 한다.
그래서, 도 4에 도시된 바와 같이 노즐(100)의 믹싱존(Z1)에는 지연제(A2)를 공급하기 위한 제2첨가제 공급배관(300)이 연결될 수 있다. 이때 제2첨가제 공급배관(300)은 주재(P1)가 공급되는 지점으로 연결되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 노즐을 이용하여 지오폴리머 조성물을 3D 프린팅하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법은 Na 계열의 지오폴리머로 이루어진 주재(P1)를 준비하는 제1준비단계와; Ca(OH)2로 이루어진 급결제(A1)를 준비하는 제2준비단계와; 상기 주재(P1)와 급결제(A1)를 노즐(100)로 공급하여 혼합하면서 이동시키는 공급단계와; 상기 노즐(100)에 형성된 토출구(120)를 통하여 주재(P1)와 급결제(A1)가 혼합된 지오폴리머 조성물(P2)을 토출시키는 토출단계를 포함한다.
제1준비단계에서 준비되는 주재(P1)는 산화나트륨(Na2O), 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 및 물(H2O)이 혼합되어 이루어진다. 이때 주재(P1)에 함유되는 물(H2O)은 9 ~ 10.5 mole%인 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 주재(P1)에 함유되는 물(H2O)은 10 mole%를 유지하는 것이 좋다. 그래서 본 실실시예에서 사용되는 주재(P1)는 Na2O·Al2O3·4SiO2·10H2O로 표현될 수 있다.
예를 들어 주재(P1)를 준비하기 위해서는 실리카(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)를 포함하여 이루어진 물유리와, 알루미나(Al2O3) 및 실리카(SiO2)를 포함하여 이루어진 메타카올린(metacaolin)을 물(H2O)과 혼합한다.
제2준비단계에서는 급결제(A1)로 Ca(OH)2를 준비한다.
그리고, 공급단계는 준비된 주재(P1)와 급결제(A1)를 전술된 노즐(100)로 공급하여 혼합하면서 이동시키는 단계로서, 주재(P1)에 혼합되는 급결제(A1)의 혼합 시기를 조절하기 위하여 주재(P1)를 믹싱존(Z1)으로 공급하는 주재 공급과정과; 급결제(A1)를 노즐(100)의 출력존(Z2)으로 공급하는 급결제 공급과정으로 구분할 수 있다.
그래서, 주재(P1)를 노즐(100)의 믹싱존(Z1)으로 공급하여 이송시킨 다음 주재(P1)가 노즐(100)에서 토출되기 직전에 노즐(100)의 출력존(Z2)으로 급결제(A1)를 공급하여 주재(P1)에 급결제(A1)를 혼합된 상태로 노즐(100)의 외부로 토출되도록 한다. 그래서, 주재(P1)의 이송 중에 유동성을 확보하면서 지오폴리머 조성물(P2)의 토출 후에는 급결성을 확보할 수 있는 것이다.
이에 따라 공급단계에서 주재(P1)와 급결제(A1)의 혼합 및 이송은 상온에서 이루어질 수 있다. 따라서, 주재(P1)의 유동성 확보 및 급결성 확보를 위하여 주재(P1)의 이송 중 별도로 주재(P1)를 가열하지 않아도 무방하다.
한편, 본 실시예에서는 CaCO3로 이루어진 지연제(A2)를 준비하는 제3준비단계를 더 포함하고, 상기 공급단계는 지연제(A2)를 믹싱존(Z1)에 공급하는 지연제 공급과정을 더 포함할 수 있다.
그래서, 노즐(100)을 통하여 주재(P1)를 이송시키는 동안 유동성을 충분히 확보할 수 있다. 이에 따라 주재(P1)의 이송 중 별도로 주재(P1)를 가열하지 않고 상온에서 공급단계를 실시할 수 있는 조건을 더 유리하게 조성할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
P1: 주재 P2: 지오폴리머 조성물
A1: 급결제 A2: 지연제
100: 노즐 110: 이송스크류
120: 토출구 Z1: 믹싱존
Z2: 출력존 200: 제1첨가제 공급배관
300: 제2첨가제 공급배관 400: 주재 공급배관

Claims (10)

  1. Na 계열의 지오폴리머로 이루어진 주재에 대하여,
    상기 주재의 함량 100중량부에 대하여 Ca(OH)2로 이루어진 급결제를 2 ~ 4중량부 포함하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주재는 산화나트륨(Na2O), 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 및 물(H2O)이 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 주재에 함유되는 물(H2O)은 9 ~ 10.5 mole%인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 주재는 Na2O·Al2O3·4SiO2·10H2O인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물.
  5. 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 3D 프린팅 장치의 노즐로 토출하여 출력물을 프린팅하는 3D 프린팅 방법으로서,
    Na 계열의 지오폴리머로 이루어진 주재를 준비하는 제1준비단계와;
    Ca(OH)2로 이루어진 급결제를 준비하는 제2준비단계와;
    상기 주재와 급결제를 노즐로 공급하여 혼합하면서 이동시키는 공급단계와;
    상기 노즐에 형성된 토출구를 통하여 주재와 급결제가 혼합된 지오폴리머 조성물을 토출시키는 토출단계를 포함하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1준비단계에서 준비되는 주재는 산화나트륨(Na2O), 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 및 물(H2O)이 혼합되어 이루어지고, 상기 주재에 함유되는 물(H2O)은 9 ~ 10.5 mole%인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1준비단계에서 준비되는 주재는 Na2O·Al2O3·4SiO2·10H2O이고,
    상기 공급단계에서 공급되는 급결제는 상기 주재의 함량 100중량부에 대하여 2 ~ 4중량부가 공급되어 혼합되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 노즐은 주재가 혼합되면서 이송되는 믹싱존과, 상기 믹싱존의 선단에 배치되어 연통되면서 상기 토출구가 형성되어 주재를 노즐의 외부로 토출시키는 출력존으로 구분되고,
    상기 공급단계는,
    상기 주재를 믹싱존으로 공급하는 주재 공급과정과;
    상기 급결제를 상기 노즐의 출력존으로 공급하는 급결제 공급과정으로 구분되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    CaCO3로 이루어진 지연제를 준비하는 제3준비단계를 더 포함하고,
    상기 공급단계는 상기 지연제를 믹싱존에 공급하는 지연제 공급과정을 더 포함하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 공급단계에서 상기 주재와 급결제의 혼합 및 이송은 상온에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 지오폴리머 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
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