KR20240022039A - 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3d 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법 - Google Patents

고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3d 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안전하고 쉽고 빠르게 고에너지 복합소재를 이용한 다양한 구조의 3차원 구조체를 형성할 수 있도록 한 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법에 관한 것으로, Al 연료금속;열가소성 불소수지 중합체인 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 산화제 및 바인더로 사용하는 PVDF 폴리머 바인더;를 포함하고, 3D 구조체 성형 특성과 점화시의 연소특성 제어를 위하여 Al:PVDF = 10:90 ~ 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 것이다.

Description

고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법{Energetic Composites and 3D Printing based Composite Propellant Structures using same, and manufacturing method thereof}
본 발명은 고에너지 복합소재 및 고체추진제 구조체 제조에 관한 것으로, 구체적으로 안전하고 쉽고 빠르게 고에너지 복합소재를 이용한 다양한 구조의 3차원 구조체를 형성할 수 있도록 한 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고에너지물질(Energetic Materials)은 금속연료(Fuel Metal)와 금속산화제(Oxidizer)로 구성되어 있으며 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학에너지가 급격하게 열에너지로 변화하며 자기 스스로 발열하는 물질로써 주로 폭발물, 화약, 고체추진제 등에 사용되고 있다.
고에너지물질을 다양한 3차원 구조체로 성형하는 과정에서 뜻하지 않게 점화되어 폭발할 수 있는 위험성이 많아 극히 일부 전문가들에 의해서만 취급 및 성형이 가능하여 항공, 우주, 방위, 자동차, 의료, 에너지 등의 다양한 민군 산업에서의 고에너지물질 응용에 많은 제한이 있는 상황이다.
따라서, 이러한 고에너지 복합소재를 안전하고 쉽고 빠르게 다양한 3차원 구조체를 형성할 수 있는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2021-0128211호 대한민국 공개특허 제10-2018-0042988호 대한민국 등록특허 제10-1804225호
본 발명은 종래 기술의 고에너지 복합소재 및 고체추진제 구조체 제조 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 안전하고 쉽고 빠르게 고에너지 복합소재를 이용한 다양한 구조의 3차원 구조체를 형성할 수 있도록 한 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 고에너지 복합소재를 이용한 다양한 구조의 3차원 구조체를 형성하기 위한 3차원 적층 방법을 이용하고 이들의 점화 시 연소현상을 조절할 수 있도록 하여 소형발사체의 추진력을 정밀하게 제어할 수 있도록 한 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 고반응성 및 고발열성을 갖는 알루미늄(Al)과 고반응성 및 고안정성을 갖는 열가소성 불소수지 중합체 바인더이자 강력한 산화제이기도한 불소 성분이 포함된 Polyvinylidene Fluoride(PVDF)를 주성분으로 하여 Al/PVDF 복합소재를 침전법으로 작은 조각 칩(chip)의 형태로 대량 생성할 수 있도록 한 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 Al/PVDF 복합소재 칩을 건조하여 압출 성형 공정으로 Al/PVDF 기반 원통형 필라멘트(filament)를 제조하고, 성형된 필라멘트를 공급하고 3D 적층 공정을 적용하여 Al/PVDF 기반 3차원 고체추진제 구조체를 효율적으로 제조할 수 있도록 한 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 고에너지 복합소재 3차원 성형 제조 기술을 구현하여 생성된 Al/PVDF 기반 3차원 고체추진제를 탄환형 소형발사체에 충진하여 추진력이 효과적으로 제어될 수 있도록 한 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 침전법 기반 Al/PVDF 복합소재 조각 칩, 압출성형 공정에 의한 Al/PVDF 복합소재 필라멘트, 3차원 프린팅 공정에 의한 Al/PVDF 기반 고에너지 복합소재 구조체 등이 매우 균일하게 반응물인 Al 및 PVDF가 혼합되어 있는 상태로 각 공정별로 안정적인 제조가 가능하도록 한 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 매우 얇은 층들이 겹겹이 쌓아지면서 적층 생성되도록 3D 프린터에 의해 생성된 고에너지 복합소재의 인쇄선이 적층 층간에 미세한 공간이 형성되어 고에너지 복합소재의 연소 시에 산소공급 및 열전달 특성이 향상되도록 한 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고에너지 복합소재는 Al 연료금속;열가소성 불소수지 중합체인 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 산화제 및 바인더로 사용하는 PVDF 폴리머 바인더;를 포함하고, 3D 구조체 성형 특성과 점화시의 연소특성 제어를 위하여 Al:PVDF = 10:90 ~ 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 것을 특징으로 한다.
여기서, 고에너지 복합소재는, Al/PVDF 기반 고에너지 복합체 콜로이드를 에탄올에 벌크 상태로 침전시켜 제조되는 복합소재 조각 칩 형태인 것을 특징으로 한다.
그리고 고에너지 복합소재는, 복합소재 조각 칩을 압출성형하여 제조되는 Al/PVDF 필라멘트 형태인 것을 특징으로 한다.
그리고 연료금속은, Mg, B, Si 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
그리고 폴리머 바인더는, NC(Nitrocellulose), PU(Polyurethane), PLA(Poly Lactic Acid), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)를 포함하는 폴리머 종류들 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
그리고 연소 속도를 제어하기 위하여 고에너지 복합소재에, 탄산칼슘, 인산칼슘, 불화 리튬, 수산화 나트륨 중에서 선택되는 연소 억제 촉매제를 첨가하여 함량에 따른 연소 속도 제어를 하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고에너지 복합소재를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체는 Al 연료금속;열가소성 불소수지 중합체인 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 산화제 및 바인더로 사용하는 PVDF 폴리머 바인더;를 포함하는 Al/PVDF 필라멘트 형태의 고에너지 복합소재를 3D 프린팅을 이용하여 적층 인쇄되는 일직선(Printed Line) 구조를 갖고, 적층 인쇄되는 일직선(Printed Line)은 연소 시에 산소공급 및 열전달 특성을 높이기 위하여 적층되는 층간에 공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 고에너지 복합소재는, 3D 구조체 성형 특성과 점화시의 연소특성 제어를 위하여 Al:PVDF = 10:90 ~ 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고에너지 복합소재의 제조 방법은 금속산화제(Metal Oxide) 물질로 사용되는 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 혼합 용매에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계;용해된 PVDF 용액에 연료금속(Fuel Metal) 물질로 사용되는 Al 분말을 넣어 Al/PVDF 복합체 콜로이드 용액을 제조하는 단계;Al/PVDF 콜로이드 용액을 회전 중인 에틸 알콜(Ethyl Alcohol)의 소용돌이 속에 투입하는 단계;생성된 Al/PVDF 벌크 침전물을 필터링하여 에틸 알콜과 분리시키고 분리된 Al/PVDF 벌크 침전물을 건조하는 단계;건조 완료된 Al/PVDF 벌크 침전물을 절단하여 소형 칩을 제작하는 단계;를 포함하여 고에너지 복합소재를 제조하고, 고에너지 복합소재는 3D 구조체 성형 특성과 점화시의 연소특성 제어를 위하여 Al:PVDF = 10:90 ~ 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 것을 특징으로 한다.
여기서, 전구체 용액을 제조하는 단계에서, PVDF를 아세톤 및 디메틸포름아미드(DMF)의 혼합 용매에 용해시켜 전구체 용액을 만들고, PVDF 1g 당 7ml의 아세톤/디메틸포름아미드 혼합 용매를 사용하고 자석 교반기(Magnetic Stirrer)를 이용하여 170℃에서 30분간 혼합하여 PVDF 덩어리가 완전히 용해되도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 Al/PVDF 복합체 콜로이드 용액을 제조하는 단계에서 완전히 용해된 PVDF 용액에 Al 분말을 넣은 후 초음파 발생기를 작동하여 Al/PVDF 복합체 콜로이드 용액을 제조하고, Al/PVDF 콜로이드 용액을 자석교반기에서 300 RPM으로 회전 중인 에틸 알콜(Ethyl Alcohol)의 소용돌이 속에 투입하는 것을 특징으로 한다.
그리고 Al/PVDF 벌크 침전물을 건조하는 단계에서, 생성된 Al/PVDF 벌크 침전물을 진공펌프를 사용하여 필터링하여 에틸 알콜과 분리시키고 분리된 Al/PVDF 벌크 침전물을 알루미늄 접시에 담아 펼친 후 건조 오븐에서 건조시키는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고에너지 복합소재를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체의 제조 방법은 Al:PVDF = 10:90 ~ 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 Al/PVDF 복합소재 조각 칩들을 제조하는 단계;Al/PVDF 복합소재 조각 칩들을 압출 성형기에 넣어 Al/PVDF 복합소재 원통형 필라멘트를 생성하는 단계;Al/PVDF 필라멘트 형태의 고에너지 복합소재를 3D 프린팅을 이용하여 적층 인쇄되는 일직선(Printed Line) 구조를 갖도록 하는 단계;를 포함하고, 적층 인쇄되는 일직선(Printed Line)은 연소 시에 산소공급 및 열전달 특성을 높이기 위하여 적층되는 층간에 공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, Al/PVDF 복합소재 원통형 필라멘트를 생성하는 단계에서, Al/PVDF 복합소재 조각 칩들을 압출 성형기에 넣은 후 노즐 온도를 250-270℃로 설정하고 30분간 예열을 시키고, 예열이 완료된 후 회전 압출용 스크류(Screw)의 속도를 올려 압출을 시작하여 필라멘트 압출이 진행되면 필라멘트를 감는 기계를 이용하여 감아서 최종적으로 직경 ~1.7 mm을 갖는 Al/PVDF 복합소재 원통형 필라멘트를 생성하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 안전하고 쉽고 빠르게 고에너지 복합소재를 이용한 다양한 구조의 3차원 구조체를 형성할 수 있도록 한다.
둘째, 고에너지 복합소재를 이용한 다양한 구조의 3차원 구조체를 형성하기 위한 3차원 적층 방법을 이용하고 이들의 점화 시 연소현상을 조절할 수 있도록 하여 소형발사체의 추진력을 정밀하게 제어할 수 있도록 한다.
셋째, 고반응성 및 고발열성을 갖는 알루미늄(Al)과 고반응성 및 고안정성을 갖는 열가소성 불소수지 중합체 바인더이자 강력한 산화제이기도한 불소 성분이 포함된 Polyvinylidene Fluoride(PVDF)를 주성분으로 하여 Al/PVDF 복합소재를 침전법으로 작은 조각 칩(chip)의 형태로 대량 생성할 수 있도록 한다.
넷째, Al/PVDF 복합소재 칩을 건조하여 압출 성형 공정으로 Al/PVDF 기반 원통형 필라멘트(filament)를 제조하고, 성형된 필라멘트를 공급하고 3D 적층 공정을 적용하여 Al/PVDF 기반 3차원 고체추진제 구조체를 효율적으로 제조할 수 있도록 한다.
다섯째, 고에너지 복합소재 3차원 성형 제조 기술을 구현하여 생성된 Al/PVDF 기반 3차원 고체추진제를 탄환형 소형발사체에 충진하여 추진력이 효과적으로 제어될 수 있도록 한다.
여섯째, 침전법 기반 Al/PVDF 복합소재 조각 칩, 압출성형 공정에 의한 Al/PVDF 복합소재 필라멘트, 3차원 프린팅 공정에 의한 Al/PVDF 기반 고에너지 복합소재 구조체 등이 매우 균일하게 반응물인 Al 및 PVDF가 혼합되어 있는 상태로 각 공정별로 안정적인 제조가 가능하도록 한다.
일곱째, 매우 얇은 층들이 겹겹이 쌓아지면서 적층 생성되도록 3D 프린터에 의해 생성된 고에너지 복합소재의 인쇄선이 적층 층간에 미세한 공간이 형성되어 고에너지 복합소재의 연소 시에 산소공급 및 열전달 특성이 향상되도록 한다.
도 1은 (a) Al/PVDF 분산된 콜로이드 용액, (b) Al/PVDF 복합소재 벌크 덩어리 침전물, (c) 건조 후 커팅 제조된 Al/PVDF 고에너지 복합소재 칩(chip)
도 2a는 Al/PVDF 복합소재의 조각 칩 생성, 필라멘트 생성 및 3D 프린팅 제조 공정 개략도
도 2b는 본 발명에 따른 Al/PVDF 복합소재의 조각 칩 생성, 필라멘트 생성 및 3D 프린팅 제조 공정 순서를 나타낸 플로우 차트
도 3은 Al/PVDF(Al:PVDF=30:70 wt.%) 복합체의 주사전자현미경(SEM) 및 에너지분산형 분광분석법(EDS) 이미지
도 4는 Al/PVDF (Al:PVDF=30:70 wt.%) 고에너지 복합소재가 (a)압출성형법으로 생성된 필라멘트 및 (b)3D 프린팅법으로 인쇄된 일직선의 실물 사진. Al/PVDF 고에너지 복합소재 (c)필라멘트와 (d) 인쇄선의 점화 시 화염 전파 연속 정지이미지
도 5는 Al 함량에 따른 Al/PVDF 복합소재 필라멘트 및 3D 인쇄선의 연소율 변화 그래프
도 6은 (a)3D 프린터 세부 구성 사진, (b)보호 챔버 내부 및 히터 장착 사진, (c)보호 챔버내 3D 프린터 설치 후 사진
도 7은 (a)탄환형 소형발사체 및 3D 프린트된 Al/PVDF (= 30:70 wt.%) 고체추진제 3D 원통구조체 실물 사진, (b)탄환형 소형발사체 발사대 실험 개요 구성도
도 8은 (a)Al/PVDF = 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 고체추진제 3D 원통구조체가 충진된 탄환형 소형발사체의 발사 테스트 연속 정지이미지, (b)Al/PVDF 고체추진제의 혼합비를 변화시키면서 발사한 탄환형 소형발사체의 운동 연속 정지이미지, (c)Al/PVDF 고체추진제내에서 Al 함량 변화에 따른 탄환형 소형발사체의 평균속도 및 평균 운동에너지 측정 결과 그래프
도 9는 Al/PVDF 복합소재 기반 3D 프린팅 구조체 내에 LiF 첨가에 따른 연소속도 변화 측정 결과 그래프
이하, 본 발명에 따른 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 (a) Al/PVDF 분산된 콜로이드 용액, (b) Al/PVDF 복합소재 벌크 덩어리 침전물, (c) 건조 후 커팅 제조된 Al/PVDF 고에너지 복합소재 칩(chip)이다.
본 발명에 따른 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법은 안전하고 쉽고 빠르게 고에너지 복합소재를 이용한 다양한 구조의 3차원 구조체를 형성할 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 고에너지 복합소재를 이용한 다양한 구조의 3차원 구조체를 형성하기 위한 3차원 적층 방법과 이들의 점화 시 연소현상을 조절할 수 있도록 하여 소형발사체의 추진력을 정밀하게 제어할 수 있도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 고반응성 및 고발열성을 갖는 알루미늄(Al)과 고반응성 및 고안정성을 갖는 열가소성 불소수지 중합체 바인더이자 강력한 산화제이기도한 불소 성분이 포함된 Polyvinylidene Fluoride(PVDF)를 주성분으로 하여 Al/PVDF 복합소재를 침전법으로 작은 조각 칩(chip)의 형태로 대량 생성할 수 있도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 Al/PVDF 복합소재 칩을 건조하여 압출 성형 공정으로 Al/PVDF 기반의 원통형 필라멘트(filament)를 제조하고, 성형된 필라멘트를 공급하고 3D 적층 공정을 적용하여 Al/PVDF 기반 3차원 고체추진제 구조체를 효율적으로 제조할 수 있도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 침전법 기반 Al/PVDF 복합소재 조각 칩, 압출성형 공정에 의한 Al/PVDF 복합소재 필라멘트, 3차원 프린팅 공정에 의한 Al/PVDF 기반 고에너지 복합소재 구조체 등이 매우 균일하게 반응물인 Al 및 PVDF가 혼합되어 있는 상태로 각 공정별로 안정적인 제조가 가능하도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 매우 얇은 층들이 겹겹이 쌓아지면서 적층 생성되도록 3D 프린터에 의해 생성된 고에너지 복합소재의 인쇄선이 적층 층간에 미세한 공간이 형성되어 고에너지 복합소재의 연소 시에 산소공급 및 열전달 특성이 향상되도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
도 2a는 Al/PVDF 복합소재의 조각 칩 생성, 필라멘트 생성 및 3D 프린팅 제조 공정 개략도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 Al/PVDF 복합소재의 조각 칩 생성, 필라멘트 생성 및 3D 프린팅 제조 공정 순서를 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고에너지 복합소재는 Al 연료금속과, 열가소성 불소수지 중합체인 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 산화제로 사용하는 PVDF 폴리머 바인더를 포함하고, 3D 구조체 성형 특성과 점화시의 연소특성 제어를 위하여 Al:PVDF = 10:90 ~ 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 고에너지 복합소재의 제조 공정은 다음과 같다.
본 발명에 따른 고에너지 복합소재의 제조 공정은 도 2a와 도 2b에서와 같이, PVDF를 혼합 용매에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계(S201)와, 용해된 PVDF 용액에 Al 분말을 넣어 Al/PVDF 복합체 콜로이드 용액을 제조하는 단계(S202)와, Al/PVDF 콜로이드 용액을 강하게 회전 중인 에틸 알콜(Ethyl Alcohol)의 소용돌이 속에 천천히 투입하는 단계(S203)와, 생성된 Al/PVDF 벌크 침전물을 필터링하여 에틸 알콜과 분리시키고 분리된 Al/PVDF 벌크 침전물을 건조하는 단계(S204)와, 건조 완료된 Al/PVDF 벌크 침전물을 절단하여 소형 칩을 제작하는 단계(S205)를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고에너지 복합소재를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체는 Al 연료금속과, 열가소성 불소수지 중합체인 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 산화제 및 바인더로 사용하는 PVDF 폴리머 바인더를 포함하는 Al/PVDF 필라멘트 형태의 고에너지 복합소재를 3D 프린팅을 이용하여 적층 인쇄되는 일직선(Printed Line) 구조를 갖고, 적층 인쇄되는 일직선(Printed Line)은 연소 시에 산소공급 및 열전달 특성을 높이기 위하여 적층되는 층간에 공간이 형성되는 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 고에너지 복합소재를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체의 제조 공정은 다음과 같다.
본 발명에 따른 고에너지 복합소재를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체의 제조 공정은 도 2a와 도 2b에서와 같이, Al/PVDF 복합소재 조각 칩들을 압출 성형기를 이용하여 필라멘트 압출 성형을 하는 단계(S206)와, Al/PVDF 복합소재　원통형 필라멘트를 생성하는 단계(S207)와, Al/PVDF 복합소재 필라멘트로 3D 프린팅을 이용하여 적층된 일직선(Printed Line)을 제작하는 단계(S208)를 포함한다.
Al/PVDF 기반 고에너지 복합소재의 펠렛(pellet)과 필라멘트(filament) 제작에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시 예에서는 고에너지 복합소재의 구성 성분으로써 연료금속(Fuel Metal) 물질로는 평균직경 ~5㎛의 크기를 갖는 알루미늄(Al) 분말을 사용하고, 금속산화제(Metal Oxide) 물질로는 분자량이 800,000 ~ 2,000,000인 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 사용한다.
3D 프린터에 적용할 Al/PVDF 필라멘트를 제작하는데 가장 먼저 필요한 Al/PVDF 펠렛을 제조하는 방법은 다음과 같다.
먼저, PVDF를 아세톤 및 디메틸포름아미드(DMF) (Anhydrous 99.8%)의 혼합 용매에 용해시켜 전구체 용액을 만든다.
다음으로 Al과 PVDF의 혼합비는 Al:PVDF=30:70 wt.% (즉, 연료 및 산화제의 비율(공연비)=0.94) 정도의 질량 조성비로 혼합한다.
PVDF 1g 당 7ml의 아세톤/디메틸포름아미드 혼합 용매를 사용하고 자석 교반기(Magnetic Stirrer)를 이용하여 170℃에서 약 30 분간 혼합하여 PVDF 덩어리가 완전히 용해되도록 한다.
완전히 용해된 PVDF 용액에 Al 분말을 넣은 후 초음파 발생기 (전력: 400 W, 주파수: 40 kHz)를 약 1시간 동안 작동하여 Al/PVDF 복합체 콜로이드 용액을 제조한다.
그 후 Al/PVDF 콜로이드 용액을 자석교반기에서 약 300 RPM으로 강하게 회전 중인 에틸 알콜(Ethyl Alcohol) 95%의 소용돌이 속에 천천히 부어 준다.
이러한 과정에서 생성된 Al/PVDF 벌크 침전물을 진공펌프를 사용하여 필터링하여 에틸 알콜과 분리시키고 분리된 Al/PVDF 벌크 침전물을 알루미늄 접시에 담아 넓게 펼친 후 건조 오븐에서 약 30분간 건조시킨다.
건조 완료된 Al/PVDF 벌크 침전물을 적당한 크기로 절단하여 도 1에서와 같이 소형 칩을 제작한다.
그리고 제작된 Al/PVDF 복합소재 조각 칩들을 압출 성형기(FILIBOT)에 넣은 후 노즐 온도를 약 250-270℃로 설정하고 30분간 예열을 한다.
예열이 완료된 후 회전 압출용 스크류(Screw)의 속도를 천천히 올리면서 약 10RPM에 맞춰 압출을 시작한다.
필라멘트 압출이 진행되면 필라멘트를 감는 기계(FILAS Winding Machine)를 약 3RPM의 속도로 맞춰주며 감아서 최종적으로 직경 ~1.7 mm을 갖는 Al/PVDF 복합소재　도 2에서와 같이, 원통형 필라멘트를 생성한다.
도 3은 Al/PVDF(Al:PVDF=30:70 wt.%)의 주사전자현미경(SEM) 및 에너지분산형 분광분석법(EDS) 이미지이다.
(a-e) Al/PVDF 고에너지 복합소재 프린팅된 선의 표면 SEM 및 EDS 이미지, (f-j) Al/PVDF 고에너지 복합소재 프린팅된 선의 단면 SEM 및 EDS 이미지이다.
상기와 같이 Al/PVDF 복합소재 필라멘트로 3D 프린팅을 이용하여 적층된 일직선(Printed Line)을 그리고, 이를 3D 프린터 성형 스테이지 표면에서 떼어낸 후 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 및 에너지분산형 분광분석법(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS)을 이용하여 표면 형상 및 내부의 화학적 조성을 분석하였고, 그 결과는 도 3에서와 같다.
먼저 3D 프린트된 Al/PVDF 복합소재 선 표면은 구형의 직경 약 5㎛를 갖는 Al 입자들이 PVDF 매질내에 전체적으로 균일하게 잘 분포하고 있음을 관찰할 수 있다.(도 3(a-e))
다음으로 Al/PVDF 복합소재 3D 프린트된 선의 단면을 잘라 SEM 및 EDS로 관찰한 결과 전체 부분 Al 성분이 PVDF 매질내에 균일하게 잘 분포되어 있는 것을 관찰할 수 있다.
이는 본 발명에서 제시한 침전법 기반 Al/PVDF 복합소재 조각 칩, 압출성형 공정에 의한 Al/PVDF 복합소재 필라멘트, 3차원 프린팅 공정에 의한 Al/PVDF 기반 고에너지 복합소재 구조체 등이 매우 균일하게 반응물인 Al 및 PVDF가 혼합되어 있는 상태로 각 공정별로 안정적인 제조가 가능함을 나타내준다.
Al/PVDF 고에너지 복합소재의 점화 및 연소 특성 분석에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 Al/PVDF (Al:PVDF=30:70 wt.%) 고에너지 복합소재가 (a)압출성형법으로 생성된 필라멘트 및 (b)3D 프린팅법으로 인쇄된 일직선의 실물 사진. Al/PVDF 고에너지 복합소재 (c)필라멘트와 (d) 인쇄선의 점화 시 화염 전파 연속 정지이미지이다.
먼저, Al/PVDF 기반 고에너지 복합소재의 침전법 및 압출성형법으로 생성된 필라멘트와 이를 3D 프린터에 공급하여 인쇄된 3D 일직선(3D Printed Line)을 생성하고 이들의 연소속도를 측정하였다.
이때, Al와 PVDF의 혼합비를 Al:PVDF = 10:90, 15:85, 20:80, 25:75, 30:70 wt.%의 다양한 조성비로 제조하였다. 이들의 점화 후 연소 특성은 고속카메라를 사용하여 측정하였다. 연소속도를 측정하기 위해 압출성형된 Al/PVDF 고에너지 복합소재 필라멘트의 직경은 약 1.7mm, 길이는 50mm로 설정 공급하였고, 3D 프린터로 인쇄된 고에너지 복합소재 일직선은 가로 2mm, 세로 1.57mm, 길이 50mm를 갖도록 인쇄하였다.(도 4(a)(b) 참고)
연소율(Burn Rate)과 총연소시간은 고속카메라로 촬영된 정지이미지 분석을 통해 결정되었다.(도 4(c)(d) 참고)
점화 시 Al/PVDF 고에너지 복합소재 필라멘트보다 인쇄된 일직선의 화염전파 속도가 상대적으로 매우 빠른 것을 관찰할 수 있었다.
Al/PVDF 고에너지 복합소재 필라멘트와 3D 인쇄선의 Al 함량에 따른 연소율 변화 특성 측정 결과 도 5에서와 같다.
도 5는 Al 함량에 따른 Al/PVDF 복합소재 필라멘트 및 3D 인쇄선의 연소율 변화 그래프이다.
우선 Al의 함량이 10 wt.% 이하인 경우에는 Al/PVDF 복합소재는 전혀 점화가 되지 않았다. 이는 고에너지 복합소재의 경우 연료물질인 Al이 최소량 이상이 포함되어야 안정적으로 점화될 수 있음을 의미한다.
도 5에서와 같이, Al의 함량이 10 wt.% 이상이 되는 경우부터 Al/PVDF 복합소재는 안정적으로 점화되었고, Al 함량이 증가할수록 필라멘트(Filament of Al/PVDF)와 인쇄선(3D Printed Line of Al/PVDF) 모두 연소율이 증가함으로 관찰할 수 있었다.
여기서, 3D 인쇄선의 연소율이 압축 성형된 필라멘트의 연소율보다 약 2배 더 크게 나타난 것으로 관찰되었다. 이는 3D 프린터에 의해 생성된 고에너지 복합소재의 인쇄선은 매우 얇은 층들이 겹겹이 쌓아지면서 적층 생성된 것이므로 적층 층간에 미세한 공간이 형성되어 고에너지 복합소재의 연소 시에 산소공급 및 열전달 특성이 향상되었기 때문이다.
Al 함량이 30 wt.% 이하 혹은 PVDF 함량이 70 wt.% 이상인 경우에는 3D 적층 공정으로 Al/PVDF 복합소재의 3차원 구조체가 잘 형성되는 것을 볼 수 있다. 하지만, Al 함량이 30 wt.% 이상 혹은 PVDF 함량이 70 wt.% 이하인 경우에는 PVDF 폴리머 바인더의 함량의 급격한 감소로 인해 3D 프린팅 시에 생성된 고에너지 복합소재의 3차원 구조체가 복합체 층간의 접착력이 매우 저하되어 형상이 중간 생성물이 매우 불규칙하게 생성되었고 최종적으로 완전한 3D 구조체가 형성되지 못하였다.
따라서, 고에너지 복합소재의 안정적인 3D 프린팅을 위해서는 연료물질(즉, Al)과 폴리머 바인더(즉, PVDF)의 적절한 혼합비가 존재하며 이를 실험적으로 결정하는 것이 매우 중요함을 알 수 있다.
Al/PVDF 고에너지 복합소재의 안정적인 3D 구조체 성형성과 점화시 안정적인 연소특성을 확보하기 위해서는 반드시 Al:PVDF = 10:90~30:70 wt.%의 적절한 혼합비 영역을 유지해야 한다.
Al/PVDF 기반 고에너지 복합소재의 3D 프린팅 공정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6은 (a)3D 프린터 세부 구성 사진, (b)보호 챔버 내부 및 히터 장착 사진, (c)보호 챔버내 3D 프린터 설치 후 사진이다.
본 발명에서 연소율이 가장 높으면서 안정적인 필라멘트 압출성형도 가능한 Al:PVDF = 30:70 wt.%의 연료물질과 폴리머 바인더 조성비에서 3D 프린팅 공정(도 6(a))을 진행하여 테스트를 진행하였다.
PVDF의 경우 기존의 상용화된 3D 프린터용 폴리머 물질인 ABS, PLA, PU 등과는 달리 외부 온도에 매우 민감하며 3D 성형 기판에 부착이 잘되지 않는다는 특징이 있다.
외부 환경에 의한 급격한 온도 변화로 발생할 수 있는 소재 층간의 분리 현상을 방지하기 위해 보호 챔버(SG760V)를 사용하였다.
또한, 소형 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터(TP-500k PRO)를 챔버 내부에 설치(도 6(b)(c))하여 챔버 내부의 온도를 약 50℃ 전후로 항상 유지하였다.
Al/PVDF 고에너지 복합소재의 3D 프린팅 공정을 위한 조건은 노즐의 온도 약 225℃, 3D 성형 기판의 온도 약 100℃, 노즐 직경 0.8mm, 소재 층간 높이 0.4 mm로 설정하여 3D 프린팅 공정을 수행하였고, 더 자세한 3D 프린팅 조건은 표 1에서와 같다.
그리고 탄환형 소형발사체 및 발사 장치의 설계 및 제작에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 7은 (a)탄환형 소형발사체 및 3D 프린트된 Al/PVDF (= 30:70 wt.%) 고체추진제 3D 원통구조체 실물 사진, (b)탄환형 소형발사체 발사대 실험 개요 구성도이다.
3D 프린터로 출력된 Al/PVDF 복합소재 기반 원통형 3D 고체추진제를 이용한 탄환형 소형발사체 발사 실험 수행을 위해 탄환형 소형발사체 및 발사 장치를 설계 및 제작하였다.
탄환형 소형발사체는 철(iron) 소재로 제작되었고 자세한 제원은 표 2에서와 같다.
점화 및 추진된 탄환형 소형발사체는 원통형 발사대 총열 내부로 가속되게 되는데 이러한 발사대는 아크릴 소재를 사용하여 자체 제작하였으며 총열의 경우 압출식으로 제작된 투명 아크릴 파이프(AkoBigs Co.ltd)를 이용하였다.
본 발명에 따른 탄환형 소형발사체 발사 테스트 및 기술 구현에 관하여 설명하면 다음과 같다.
3D 프린트된 Al/PVDF (= 30:70 wt.%) 고체추진제 구조체를 탄환형 소형발사체에 적용하여 추진 특성을 관찰하였다. 3D 프린트된 Al/PVDF (= 30:70 wt.%) 고체추진제 3D 원통구조체(질량 0.8 g 내외)로 채워진 탄환형 소형발사체의 형상을 도 7(a)에 나타냈으며, 도 7(b)는 탄환형 소형발사체의 실험 개요를 나타낸 것이다.
도 8은 (a)Al/PVDF = 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 고체추진제 3D 원통구조체가 충진된 탄환형 소형발사체의 발사 테스트 연속 정지이미지, (b)Al/PVDF 고체추진제의 혼합비를 변화시키면서 발사한 탄환형 소형발사체의 운동 연속 정지이미지, (c)Al/PVDF 고체추진제내에서 Al 함량 변화에 따른 탄환형 소형발사체의 평균속도 및 평균 운동에너지 측정 결과 그래프이다.
본 발명에서는 탄환형 소형발사체 내부에 고체추진제 3D 원통구조체를 채우고 점화 시 추진되는 탄환의 순간적인 움직임을 기록하기 위하여 고속카메라를 이용하였고, 탄환형 소형발사체의 평균 속도와 운동 에너지는 고속카메라를 통해 측정된 연속 정지이미지 분석을 통하여 결정하였다.
여기서 평균 속도는 이동과정에서 소요된 시간에 대한 이동 거리의 비로 결정하였다.
도 8(a)에 Al:PVDF = 30:70 wt.%의 경우 탄환형 소형발사체가 발사되고 발사 지점부터 총열의 끝지점까지 도달하는 과정의 예시 전체를 연속적인 정지이미지로 제시하였다.
이 경우 탄환형 소형발사체가 발사지점부터 총열 끝단에 도달하기까지 걸린 시간은 총 69 ms로 측정되었다. 계산 결과 탄환형 소형발사체의 속도는 약 7.25 m/s이며 운동에너지는 0.43 J 이다.
여기서 운동에너지는 0.5MV2로 계산되었으며, M은 탄환 질량(=16.3 g), V는 탄환 속도를 나타낸다. 발사 테스트 결과 3D 프린트된 고체추진제는 안정적으로 점화 및 연소되면서 불꽃과 가스를 분출하였고 탄환형 소형발사체를 지속적으로 추진시키는 것을 확인할 수 있었다.
이어서 Al/PVDF의 혼합비를 변화시키면서 탄환형 소형발사체의 추진 테스트를 진행하였고, 도 8(b)에 보는 바와 같이 연속적인 정지이미지를 얻을 수 있었다.
이를 바탕으로 Al 함량에 따른 탄환형 소형발사체의 평균속도와 평균 운동에너지를 계산한 결과 도 8(c)에서와 같이 Al/PVDF 복합소재 내에서 Al의 함량이 커질수록 탄환형 소형발사체의 평균속도와 평균 운동에너지가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.
결론적으로 본 발명에서는 Al/PVDF 기반 고에너지 복합체 콜로이드를 에탄올에 대량으로 벌크 상태로 침전시켜 복합소재 칩을 제조하였고, 이를 압출성형하여 Al/PVDF 필라멘트를 제조하였다.
이러한 Al/PVDF 복합소재 필라멘트를 3D 프린터 노즐에 공급하여 최종적으로 Al/PVDF 고체추진제 3차원 구조체를 성공적으로 완성하였다.
Al/PVDF 복합소재 기반 필라멘트와 3D 프린트된 구조체 내부에는 Al과 PVDF가 매우 균일하게 혼합되어 있는 것을 SEM 및 EDS 등을 기반으로 확인하였다. Al/PVDF 복합소재 3D 구조체의 성형성 특성을 관찰한 결과 폴리머 바인더인 PVDF가 70 wt.% 이상 반드시 포함되어 있어야 Al/PVDF 복합소재 기반의 3D 구조체를 출력 가능함을 알 수 있었다.
동시에 Al/PVDF 복합소재 기반 고체추진제의 안정적인 점화 및 연소를 위해서는 Al의 함량이 10-30 wt.% 내외의 범위로 유지되어야 함으로 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에서는 안정적인 3D 고체추진제 성형이 가능하고, 최고의 연소 특성을 가지는 Al/PVDF = 30:70 wt.%의 조건을 도출하였다. 또한, Al/PVDF의 혼합비를 변화시키면서 고체추진제 3D 구조체를 제조하였고, 이를 탄환형 소형발사체에 적용하여 발사테스트를 진행하였다. 그 결과 점화 시 강력한 불꽃과 함께 높은 압력의 연소가스를 방출하며 성공적으로 추진되었고 Al/PVDF 조성 변화를 통해 소형발사체의 추진력 제어도 가능함을 제시하였다.
따라서, 본 발명에서 제시한 Al/PVDF 기반 고에너지 복합소재 제조 및 3D 구조체 성형 기술은 열공학을 기반으로 하는 다양한 민군분야(예. 고체추진제, 폭발물, 탄환, 가스발생기 등)에서 응용이 가능할 것으로 예상된다.
본 발명에서 제시한 연료금속은 Al 이외에도 Mg, B, Si 등으로 확장 가능하며, 폴리머 바인더는 PVDF 이외에도 Nitrocellulose (NC), Polyurethane (PU), Poly Lactic Acid (PLA), Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) 등과 같은 다양한 폴리머의 종류로 확장 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 연소 억제 촉매제 첨가를 통한 연소 속도 조절이 가능하다.
도 9는 Al/PVDF 복합소재 기반 3D 프린팅 구조체 내에 LiF 첨가에 따른 연소속도 변화 측정 결과 그래프이다.
로켓과 같이 장시간 연소 및 추진 특성이 필요한 소형발사체의 경우 Al/PVDF 복합소재의 연소 속도를 제어할 필요가 있는데 이 때 연소 억제 촉매제 (예. 탄산칼슘, 인산칼슘, 불화 리튬, 수산화 나트륨 등)를 Al/PVDF 복합소재에 투입하여 함량을 조절함으로써 연소 속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 불화 리튬(LiF)를 소량 첨가하여 3차원 프린팅 선의 연소속도를 추가로 관찰하였으며, 도 9에서와 같이 LiF를 Al/PVDF 복합소재에 투입함으로써 50%까지 연소속도를 감소시킬 수 있는 가능성을 관찰하였다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 고에너지 복합소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체 및 이들의 제조 방법은 안전하고 쉽고 빠르게 고에너지 복합소재를 이용한 다양한 구조의 3차원 구조체를 형성할 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 고에너지 복합소재를 이용한 다양한 구조의 3차원 구조체를 형성하기 위한 3차원 적층 방법을 이용하고 이들의 점화 시 연소현상을 조절할 수 있도록 하여 소형발사체의 추진력을 정밀하게 제어할 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. Al 연료금속;
    열가소성 불소수지 중합체인 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 산화제 및 바인더로 사용하는 PVDF 폴리머 바인더;를 포함하고,
    3D 구조체 성형 특성과 점화시의 연소특성 제어를 위하여 Al:PVDF = 10:90 ~ 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재.
  2. 제 1 항에 있어서, 고에너지 복합소재는,
    Al/PVDF 기반 고에너지 복합체 콜로이드를 에탄올에 벌크 상태로 침전시켜 제조되는 복합소재 조각 칩 형태인 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재.
  3. 제 2 항에 있어서, 고에너지 복합소재는,
    복합소재 조각 칩을 압출성형하여 제조되는 Al/PVDF 필라멘트 형태인 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재.
  4. 제 1 항에 있어서, 연료금속은,
    Mg, B, Si 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재.
  5. 제 1 항에 있어서, 폴리머 바인더는,
    NC(Nitrocellulose), PU(Polyurethane), PLA(Poly Lactic Acid), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)를 포함하는 폴리머 종류들 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재.
  6. 제 1 항에 있어서, 연소 속도를 제어하기 위하여 고에너지 복합소재에,
    탄산칼슘, 인산칼슘, 불화 리튬, 수산화 나트륨 중에서 선택되는 연소 억제 촉매제를 첨가하여 함량에 따른 연소 속도 제어를 하는 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재.
  7. Al 연료금속;
    열가소성 불소수지 중합체인 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 산화제 및 바인더로 사용하는 PVDF 폴리머 바인더;를 포함하는 Al/PVDF 필라멘트 형태의 고에너지 복합소재를 3D 프린팅을 이용하여 적층 인쇄되는 일직선(Printed Line) 구조를 갖고,
    적층 인쇄되는 일직선(Printed Line)은 연소 시에 산소공급 및 열전달 특성을 높이기 위하여 적층되는 층간에 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체.
  8. 제 7 항에 있어서, 고에너지 복합소재는,
    3D 구조체 성형 특성과 점화시의 연소특성 제어를 위하여 Al:PVDF = 10:90 ~ 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체.
  9. 금속산화제(Metal Oxide) 물질로 사용되는 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 혼합 용매에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계;
    용해된 PVDF 용액에 연료금속(Fuel Metal) 물질로 사용되는 Al 분말을 넣어 Al/PVDF 복합체 콜로이드 용액을 제조하는 단계;
    Al/PVDF 콜로이드 용액을 회전 중인 에틸 알콜(Ethyl Alcohol)의 소용돌이 속에 투입하는 단계;
    생성된 Al/PVDF 벌크 침전물을 필터링하여 에틸 알콜과 분리시키고 분리된 Al/PVDF 벌크 침전물을 건조하는 단계;
    건조 완료된 Al/PVDF 벌크 침전물을 절단하여 소형 칩을 제작하는 단계;를 포함하여 고에너지 복합소재를 제조하고,
    고에너지 복합소재는 3D 구조체 성형 특성과 점화시의 연소특성 제어를 위하여 Al:PVDF = 10:90 ~ 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 전구체 용액을 제조하는 단계에서,
    PVDF를 아세톤 및 디메틸포름아미드(DMF)의 혼합 용매에 용해시켜 전구체 용액을 만들고,
    PVDF 1g 당 7ml의 아세톤/디메틸포름아미드 혼합 용매를 사용하고 자석 교반기(Magnetic Stirrer)를 이용하여 170℃에서 30분간 혼합하여 PVDF 덩어리가 완전히 용해되도록 하는 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, Al/PVDF 복합체 콜로이드 용액을 제조하는 단계에서 완전히 용해된 PVDF 용액에 Al 분말을 넣은 후 초음파 발생기를 작동하여 Al/PVDF 복합체 콜로이드 용액을 제조하고,
    Al/PVDF 콜로이드 용액을 자석교반기에서 300 RPM으로 회전 중인 에틸 알콜(Ethyl Alcohol)의 소용돌이 속에 투입하는 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재의 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, Al/PVDF 벌크 침전물을 건조하는 단계에서,
    생성된 Al/PVDF 벌크 침전물을 진공펌프를 사용하여 필터링하여 에틸 알콜과 분리시키고 분리된 Al/PVDF 벌크 침전물을 알루미늄 접시에 담아 펼친 후 건조 오븐에서 건조시키는 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재의 제조 방법.
  13. Al:PVDF = 10:90 ~ 30:70 wt.%의 혼합비를 갖는 Al/PVDF 복합소재 조각 칩들을 제조하는 단계;
    Al/PVDF 복합소재 조각 칩들을 압출 성형기에 넣어 Al/PVDF 복합소재 원통형 필라멘트를 생성하는 단계;
    Al/PVDF 필라멘트 형태의 고에너지 복합소재를 3D 프린팅을 이용하여 적층 인쇄되는 일직선(Printed Line) 구조를 갖도록 하는 단계;를 포함하고,
    적층 인쇄되는 일직선(Printed Line)은 연소 시에 산소공급 및 열전달 특성을 높이기 위하여 적층되는 층간에 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, Al/PVDF 복합소재 원통형 필라멘트를 생성하는 단계에서,
    Al/PVDF 복합소재 조각 칩들을 압출 성형기에 넣은 후 노즐 온도를 250-270℃로 설정하고 30분간 예열을 시키고,
    예열이 완료된 후 회전 압출용 스크류(Screw)의 속도를 올려 압출을 시작하여 필라멘트 압출이 진행되면 필라멘트를 감는 기계를 이용하여 감아서 최종적으로 직경 ~1.7 mm을 갖는 Al/PVDF 복합소재 원통형 필라멘트를 생성하는 것을 특징으로 하는 고에너지 복합소재를 이용한 3D 프린팅 기반 고체추진제 구조체의 제조 방법.
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