WO2021137450A1 - 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3d 프린팅 방법 - Google Patents

저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3d 프린팅 방법 Download PDF

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WO2021137450A1
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ink composition
temperature
low
phase
printing
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PCT/KR2020/017448
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오정현
함은정
김진아
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(주)쓰리디머티리얼즈
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    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to a 3D printing method using a low-temperature phase-change ink composition, wherein a phase-change ink composition that exists in a liquid state at room temperature but freezes below a certain temperature and becomes a gel is used for photocuring printing in a low-temperature environment
  • a separate supporter structure for supporting the overhang portion of the printed 3D structure is omitted, and after the printing process, the post-processing process of removing the supporter is removed and processed While simplifying the process, it is possible to reduce the ink composition consumed to form the supporter structure, and after the 3D printing process is completed, the uncured ink composition in the gelled state is converted into a liquid phase through a post-treatment process at room temperature.
  • 3D printing also called Additive Manufacturing (AM) refers to a process of manufacturing a 3D object by stacking materials using digital design data. If the conventional manufacturing technology for three-dimensional objects was mainly the subtractive manufacturing type of producing three-dimensional objects by cutting or cutting three-dimensional materials through machining, etc., on the contrary, in 3D printing, the printing materials are stacked step by step. We are taking the method of producing three-dimensional objects as we go.
  • AM Additive Manufacturing
  • a stereo lithography (SLA) method disclosed in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2018-0125910 or a laser sintering (SLS) method disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2018-0076951 is used.
  • various methods such as a melt deposition modeling (FDM) method or a multi-jet modeling (MJM) method are applied and used.
  • the ink composition used for printing of the supporter changes its physical properties so that it cannot be reused, and in the end, depending on the shape of the printed material, at least 10% to as much as 30% or more of the raw material is wasted and thrown away, which also acts as a factor for increasing the production cost
  • the supporter is formed in the inner space inside the outer shape of the printed matter, it is difficult to remove it, requiring many unnecessary subsequent processes.
  • the present invention is to solve the above problems, and in the present invention, a photocuring printing process in a low-temperature environment is performed using a phase-change ink composition that exists in a liquid state at room temperature but freezes below a certain temperature and becomes a gel.
  • a separate supporter structure for supporting the overhang portion of the printed 3D structure is omitted, and after the printing process, the post-processing process of removing the supporter is eliminated to reduce the processing process.
  • a 3D printing method using a low-temperature phase-change ink composition that is configured to be removed by this process, and at the same time minimizes the configuration of additional equipment for the post-treatment process, and supports the post-treatment process more easily.
  • a low-temperature environment below a certain temperature is In the low-temperature chamber maintained, on a build platform whose surface temperature is maintained at a low temperature below a certain temperature by a cooling means, the low-temperature phase-change ink composition in a liquid state at room temperature is applied layer by layer through a slot coating unit connected to the outside of the low-temperature chamber.
  • the 3D printing method using the low temperature phase change ink composition according to the present invention is a conventional 3D printing process by performing a 3D printing process through photocuring in a low temperature environment using a low temperature phase change ink composition having a phase change temperature below room temperature. It supports to omit the process of forming and removing the supporter structure for supporting the suspension part, which is essential for supporting the 3D printing process, and at the same time, it effectively blocks the waste of the ink composition consumed for printing the supporter, thereby reducing the overall production process. It has the advantage of being able to shorten and dramatically lower the production cost of the product.
  • the print is supported in a gelled state through a post-treatment process at room temperature.
  • the uncured ink composition is easily phase-changed to liquid and removed, additional equipment for post-treatment process is minimized, and the uncured ink composition is phase-changed to liquid through a room temperature working environment. It has the effect of supporting the separation and collection of wastes more easily.
  • FIG. 1 is a view exemplarily showing a supporter structure for supporting a suspension in a conventional 3D printing process.
  • FIG. 2 is a graph showing the change in viscosity according to the temperature of the ink composition used in the 3D printing method using the low-temperature phase-change ink composition according to the present invention.
  • 3 is a photocured print supported by an uncured ink composition in a gelled state at a low temperature in the process of producing a print by applying a 3D printing method using a low-temperature phase-change ink composition according to an embodiment of the present invention; It is a drawing showing the appearance by way of example.
  • a photocurable resin composition cured by light irradiation of a specific wavelength, including ultraviolet (UV) light is used as an ink composition for 3D printing, but the ink composition used in the present invention is a slot die at room temperature, etc. It has a liquid viscosity so that a single print layer for 3D printing can be deposited on the same printing plate surface, and the viscosity rapidly increases at a low temperature below a certain temperature, resulting in a phase change to a gelled solid phase. .
  • Figure 2 is a graph showing the change in viscosity according to the temperature of the ink composition used in the 3D printing method according to the present invention, as shown in Figure 2, the ink composition used in the present invention at room temperature of about 20 °C 50,000 ⁇ It exists as a liquid having a viscosity in the range of 5,000,000 cPs, but it can be seen that the viscosity increases rapidly as the temperature decreases thereafter, and at 10 ° C or less, the viscosity changes to a gelled solid of 500,000,000 cPs or more. It can be confirmed that this is being done.
  • the ink composition having such a low-temperature phase change characteristic has a molecular weight of 50 to 1,000, a monomer having a photocurable (meth)acryl group, and an oligomer having a molecular weight of 500 to 1,000,000 and a photocurable (meth)acryl group, and a radical (
  • the monomer used for synthesizing the resin composition may be synthesized in an amount of 5 to 80% by weight of the total weight of the resin composition, and in the synthesizing process of such a resin composition, a photoinitiator that promotes activation of radicals or cations at a specific wavelength is used. .
  • an inorganic filler such as silicon dioxide (SiO 2 ), glass fiber, or carbon fiber may be added in the range of 1 to 40% by weight.
  • various additives such as colorants, antioxidants, leveling agents and surface modifiers for adding color to the ink composition may be added.
  • a urethane obtained by reacting a polyol composed of PTMEG (poly(tetramethylene-ether)glycol) and BPEF (bisphenoxy ethanol fluorene) with IPDI (isophorone diisocyanate)
  • HEMA Hydroethylmethacrylate
  • a urethane acrylate oligomer having a photocurable (meth)acrylic group and having a molecular weight of 2886g/mole is prepared, and here also a photocurable (meth)acrylic group having a monomer
  • M1192 Bisphenylmethyl acrylate, BMPA
  • E400 Talc, 10um size
  • the urethane acrylate oligomer and the acrylate monomer constituting the ink composition were synthesized in a weight ratio of 5: 1, and the added inorganic filler and photoinitiator were added at 14 wt% and 2 wt%, respectively, based on the total weight of the composition.
  • the synthesized ink composition has a Secant Modulus (2.5%) of 140 MPa after photo-curing and is measured to have a Tensile Modulus at Break of 10.3 MPa. Physical properties sufficiently applicable to printed materials of various shapes and sizes. was confirmed to have
  • the ink composition was measured to have a viscosity of 1,430,000 cPs at 20° C., showing a liquid viscosity sufficient to be applied as a layer for photocuring printing on a slot die at room temperature, and the temperature was As it decreases, the viscosity rises rapidly, and at 10 ° C., it appears to have a viscosity of 500,000,000 cPs or more, and at 0 ° C., it is 10,000,000,000 cPs or more, exceeding the measurement range of a conventional viscometer. It was confirmed that it had a hardened and solidified state.
  • FIG. 3 is a photocured print supported by an uncured ink composition in a gelled state at a low temperature in the process of producing a print by applying a 3D printing method using a low-temperature phase-change ink composition according to an embodiment of the present invention;
  • the 3D printing method according to the present invention is performed in a low temperature chamber 100 in which a low temperature environment below the phase change of the ink composition is maintained, and this
  • a temperature control means such as a cooling fan may be provided inside the low temperature chamber 100 to always maintain the internal atmosphere below a predetermined temperature.
  • a build platform 200 on which printed matter is printed is provided inside the low temperature chamber 100, and a cooling means such as a cooling loop 300 is connected to the build platform so that the surface temperature of the build platform 200 is always below a certain temperature. is configured to be maintained as
  • a slot coating unit 400 for applying an ink composition for 3D printing in a layer unit of a predetermined thickness is provided on one side of the upper surface of the build platform 200 , and the slot coating unit 400 is connected to a low temperature chamber through an ink supply line 500 .
  • a liquid ink composition at room temperature is supplied from the outside and applied to the print area on the build platform 200 in a layer unit.
  • the surface temperature of the build platform 200 was always maintained to be 5 °C or less, and the atmospheric temperature in the low temperature chamber 100 was also maintained to 5 °C or less.
  • the surface temperature of the build platform 200 or the atmospheric temperature in the low temperature chamber 100 may be appropriately adjusted according to the phase change temperature of the ink composition applied to the present invention, and preferably within the range of 0°C to 10°C. It is effective to keep
  • the fluidity is removed by cooling the ink composition applied layer by layer to the printing area in a liquid state by the slot coating unit 400 and changing to a gelled solid as soon as it is applied. and can take charge of the supporter function of the printed matter by itself.
  • a light irradiating means 600 such as a UV laser or a digital light processor (DLP) is provided on the upper low temperature chamber 100 , and selectively hardening by irradiating a light pattern to the ink composition applied on the build platform 200 . to form a print.
  • DLP digital light processor
  • the coating of the ink composition and curing of the printed matter through light irradiation proceeds while being sequentially stacked layer by layer, and in the process, the ink composition 800 solidified in a frozen and gelled state without light irradiation in the process is already fluid. Since it is in a state close to a solid without any, it serves as a supporter for supporting the printed matter 700 produced by photocuring itself.
  • 3D printing is performed through a photocuring printing process in a low-temperature environment using a phase-change ink composition that is in a liquid state at room temperature but freezes below a certain temperature and becomes a gel.
  • a separate supporter structure for supporting the overhang portion of the printed 3D structure is omitted, and after the printing process, the post-processing process of removing the supporter is eliminated, thereby simplifying the processing process.
  • the printed material and the ink composition block stacked together with the printed material is moved to a room temperature room, left at room temperature, or heated slightly, and a gelled solid other than the printed material cured by light irradiation It is possible to recover the ink composition by changing it back to a liquid phase, and then re-purify it through a simple filtration process and reuse it as an ink composition for 3D printing.
  • the obtained print is completely removed from the uncured ink composition remaining on the surface of the print through a washing process using a washing solution, and then dried to complete the production.
  • the entire process of post-printing is performed in a room temperature environment at room temperature. As it is performed through the washing solution of the , there is an advantage that it is possible to increase the convenience of operation while minimizing the configuration of additional equipment for the post-treatment process.
  • a phase-change ink composition that exists as a liquid at room temperature but freezes below a certain temperature and becomes a gel is used in a low-temperature environment
  • a separate supporter structure for supporting the overhang portion of the printed 3D structure is omitted, and after the printing process, the post-processing to remove the supporter
  • the ink composition used to form the supporter structure can be reduced, and after the 3D printing process is completed, it is uncured in a gelled state through a post-treatment process at room temperature. It is configured to be removed by phase change of the ink composition to a liquid phase, thereby minimizing the configuration of additional equipment for the post-treatment process, and at the same time, the post-treatment process can be processed more easily.

Abstract

본 발명은 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로서, 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 잉크 조성물을 이용하여, 저온 환경에서의 광경화 인쇄 공정을 통해 3D 프린팅 공정을 수행함으로써, 인쇄되는 3D 구조물의 현수부(overhang portion)를 지지하기 위한 별도의 서포터(supporter) 구조를 생략하여, 프린팅 공정 후, 서포터를 제거하는 후가공 공정을 제거하여 가공 공정을 간소화하는 동시에, 서포터 구조 형성에 사용되어 소모되는 잉크 조성물을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 3D 프린팅 공정이 완료된 후에는 상온에서의 후처리 공정을 통해 겔화된 상태에서 미경화된 잉크 조성물을 액상으로 상변이시켜 제거할 수 있도록 구성되어, 후처리 공정을 위한 별도의 추가 설비 구성을 최소화하는 동시에, 후처리 공정을 보다 손쉽게 처리할 수 있도록 지원한다.

Description

저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법
본 발명은 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로서, 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 잉크 조성물을 이용하여, 저온 환경에서의 광경화 인쇄 공정을 통해 3D 프린팅 공정을 수행함으로써, 인쇄되는 3D 구조물의 현수부(overhang portion)를 지지하기 위한 별도의 서포터(supporter) 구조를 생략하여, 프린팅 공정 후, 서포터를 제거하는 후가공 공정을 제거하여 가공 공정을 간소화하는 동시에, 서포터 구조 형성에 사용되어 소모되는 잉크 조성물을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 3D 프린팅 공정이 완료된 후에는 상온에서의 후처리 공정을 통해 겔화된 상태에서 미경화된 잉크 조성물을 액상으로 상변이시켜 제거할 수 있도록 구성되어, 후처리 공정을 위한 별도의 추가 설비 구성을 최소화하는 동시에, 후처리 공정을 보다 손쉽게 처리할 수 있도록 지원하는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
최근 3D 프린팅 산업은 빠르게 신규산업으로 자리를 잡아가고 있으며, 각 산업부분에서 적극적으로 적용 범위를 넓혀가고 있다. 3D 프린팅이란 적층 제조(AM: Additive Manufacturing)라고도 불리며, 디지털 디자인 데이터를 이용, 소재를 적층(績層)하여 3차원 물체를 제조하는 프로세스를 말한다. 종래의 3차원 물체의 제조기술이 주로 입체형상의 재료를 기계가공 등을 통하여 자르거나 깎는 방식으로 입체물을 생산하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing) 형식이었다면, 3D 프린팅에서는 이와 반대로 프린팅 소재를 차근차근 적층해 나가면서 입체물을 생산하는 방식을 취하고 있다.
이와 같은 3D 프린팅 방법으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0125910호에 개시된 스테레오 리소그래피(SLA) 방식 또는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0076951호에 개시된 레이저 소결(SLS) 방식 등이 사용되며, 이외에도 용융증착 모델링(FDM) 방식 또는 멀티제트 모델링(MJM) 방식 등 다양한 방식이 적용되어 사용되고 있다.
그런데, 이와 같은 3D 프린팅 방법을 통해 인쇄물을 생산함에 있어서는, 어떠한 방식을 적용한다 하더라도, 그 프린팅 프로세스의 특성 상, 인쇄되는 3차원 객체, 즉 인쇄물의 형상에서 현수부(overhang portion)가 존재하는 경우, 이를 지지하기 위한 서포터(supporter) 구조가 요구되며, 이를 위해 종래의 3D 프린팅 공정에서는 인쇄물의 형성 과정에서 발생되는 현수부를 지지하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 인쇄물의 인쇄 과정에서 인쇄물의 현수부를 지지하기 위한 서포터를 인쇄물과 함께 인쇄하고 있으며, 인쇄 공정이 완료된 후, 후가공 공정을 통해 인쇄물에 부착된 서포터들을 일일히 제거하는 과정을 거치고 있다.
그러나, 서포터를 제거하기 위한 이와 같은 후가공 공정은, 통상 작업자가 직접 하나하나의 서포터를 제거하는 과정이 수반되어 전체적으로 작업 공정이 길어질 뿐만 아니라, 서포터를 제거한 이후, 서포터와 인쇄물의 결합 부위에 대한 표면 처리 및 도장 등의 다양한 처리 공정이 요구되어 제품의 생산 원가 상승 요인으로 작용하게 된다.
또한, 서포터의 인쇄에 사용된 잉크 조성물은 재사용이 불가능하게 물성이 바뀌게 되어, 결국 인쇄물의 형상에 따라 적게는 10% 정도에서 많게는 30% 이상의 원재료가 낭비되어 버려짐으로써, 역시 생산 단가 상승 요인으로 작용하며, 인쇄물의 형태 상, 인쇄물 외형 안쪽의 내부 공간에 서포터가 형성되는 경우, 이를 제거하는데 있어서도 많은 불필요한 후속 공정이 요구되는 어려움이 따르게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 잉크 조성물을 이용하여, 저온 환경에서의 광경화 인쇄 공정을 통해 3D 프린팅 공정을 수행함으로써, 인쇄되는 3D 구조물의 현수부(overhang portion)를 지지하기 위한 별도의 서포터(supporter) 구조를 생략하여, 프린팅 공정 후, 서포터를 제거하는 후가공 공정을 제거하여 가공 공정을 간소화하는 동시에, 서포터 구조 형성에 사용되어 소모되는 잉크 조성물을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 3D 프린팅 공정이 완료된 후에는 상온에서의 후처리 공정을 통해 겔화된 상태에서 미경화된 잉크 조성물을 액상으로 상변이시켜 제거할 수 있도록 구성되어, 후처리 공정을 위한 별도의 추가 설비 구성을 최소화하는 동시에, 후처리 공정을 보다 손쉽게 처리할 수 있도록 지원하는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법을 제공한다.
상기의 목적에 따라 본 발명에서는, 상온에서는 액상으로 유지되며, 일정 온도 이하의 저온에서는 동결되어 겔(gel)화되는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법에 있어서, 일정 온도 이하의 저온 환경이 유지되는 저온 챔버 내에서, 냉각 수단에 의해 표면 온도가 일정 온도 이하의 저온으로 유지되는 빌드 플랫폼 위에, 상기 저온 챔버 외부와 연결된 슬롯 코팅부를 통해 상온의 액상 상태인 상기 저온 상변이 잉크 조성물을 레이어 단위로 도포하는 단계; 상기 도포된 잉크 조성물에 광 조사수단을 통해 일정 패턴을 갖는 광을 조사하여, 도포된 잉크 조성물을 선택적으로 광경화시키는 단계; 및 상기 광경화가 완료된 잉크 조성물 레이어 위에, 상기 저온 챔버 외부와 연결된 슬롯 코팅부를 통해 상온의 액상 상태인 상기 저온 상변이 잉크 조성물을 다시 레이어 단위로 도포하고, 광 조사를 통해 도포된 잉크 조성물을 선택적으로 광경화시키는 단계를 반복하여, 광경화된 레이어들이 적층된 3D 인쇄물을 인쇄하는 단계;를 포함하여 구성되어, 광경화를 통해 적층 인쇄되는 3D 인쇄물을, 액상으로 레이어 단위로 도포되고 빌드 플랫폼 상에서 동결되어, 겔(gel)화된 고형으로 상변이 되어 굳어진 잉크 조성물을 통해 지지하도록 구성됨으로써, 인쇄되는 3D 구조물의 현수부(overhang portion)를 지지하기 위한 별도의 서포터 구조의 인쇄를 생략할 수 있는 것을 특징으로 하는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법은 상온 이하의 상변이 온도를 갖는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용하여 저온 환경에서 광경화를 통한 3D 프린팅 공정을 수행함으로써, 종래의 3D 프린팅 공정에 필수적으로 요구되는 현수부 지지를 위한 서포터 구조의 형성 및 제거 공정을 생략할 수 있도록 지원하여, 3D 프린팅 공정을 간소화하는 동시에, 서포터 인쇄에 소모되는 잉크 조성물의 낭비를 효과적으로 차단하여 전체적인 생산 공정을 단축하고 제품의 생산 단가를 획기적으로 낮출 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에서는 상온에서 액상으로 존재하는 잉크 조성물을 기반으로 3D 프린팅 인쇄물을 생산함에 따라, 저온 환경에서의 3D 프린팅 공정이 완료된 후에는 상온에서의 후처리 공정을 통해 겔화된 상태로 인쇄물을 지지하고 있는 미경화 잉크 조성물을 손쉽게 액상으로 상변이시켜 제거할 수 있도록 구성함으로써, 후처리 공정을 위한 별도의 추가 설비 구성을 최소화하는 동시에, 상온 작업 환경을 통해 액상으로 상변이된 미경화 잉크 조성믈의 분리 및 수거가 보다 용이하게 이루어질 수 있도록 지원하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 3D 프린팅 공정에서 현수부를 지지하기 위한 서포터 구조를 예시적으로 보여주고 있는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법에 사용되는 잉크 조성물의 온도에 따른 점도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법을 적용하여 인쇄물을 생산하는 과정에서 저온에서 겔화된 상태로 미경화된 잉크 조성물에 의해 광경화된 인쇄물이 지지되는 모습을 예시적으로 보여주고 있는 도면이다.
이하에서는, 상술한 본 발명에 따른 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법을 바람직한 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 자외선(UV)을 포함하여 특정 파장의 광조사에 의해 경화되는 광경화성 수지 조성물을 3D 프린팅용 잉크 조성물로 사용하되, 본 발명에 사용되는 잉크 조성물은 상온에서는 슬롯 다이(Slot Die) 등과 같은 인쇄판면에 3D 프린팅을 위한 한 겹의 인쇄 레이어를 증착할 수 있도록 액상의 점도를 가지며, 일정 온도 이하의 저온에서는 점도가 급격하게 증가하여 겔(gel)화된 고상으로 상변이가 이루어지는 특성을 갖는다.
도2는 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에 사용되는 잉크 조성물의 온도에 따른 점도 변화를 보여주는 그래프로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용되는 잉크 조성물은 20℃ 정도의 상온에서는 50,000 ~ 5,000,000cPs 범위의 점도를 갖는 액상으로 존재하나, 이후 온도가 내려감에 따라 그 점도가 급격하게 높아지는 특성을 보이고 있음을 알 수 있으며, 10℃ 이하에서는 그 점도가 500,000,000cPs 이상의 겔화된 고형으로 상변이가 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.
이와 같은 저온 상변이 특성을 갖는 잉크 조성물은, 분자량이 50 ~ 1,000이고 광경화가 가능한 (메타)아크릴기를 갖는 모노머와 분자량이 500 ~ 1,000,000 이고 역시 광경화가 가능한 (메타)아크릴기를 갖는 올리고머로서, 라디칼(Radical) 방식으로 광경화가 가능한 얻어지는 수지 조성물, 또는 분자량이 50 ~ 1,000이고 광경화가 가능한 에폭시기를 갖는 모노머와 분자량이 500 ~ 1,000,000 이고 역시 광경화가 가능한 에폭시기를 갖는 올리고머로서 양이온(Cataionic) 방식으로 광경화가 가능한 수지 조성물로 이루어질 수 있으며, 또는 이 둘을 혼합한 하이브리드 방식으로 이루어질 수도 있다.
이때, 수지 조성물 합성에 사용되는 모노머는 수지 조성물 전체 중량의 5 ~ 80 중량%로 합성될 수 있으며, 이와 같은 수지 조성물의 합성 과정에서는 특정 파장에서 라티칼 또는 양이온의 활성화를 촉진하는 광개시제가 사용된다.
또한, 상기 수지 조성물의 합성 과정에서는 광경화된 조성물의 강도(Modulus)를 높여주기 위해 이산화규소(SiO2), 유리섬유 또는 탄소섬유 등과 같은 무기물 필러가 1 ~ 40 중량% 범위에서 첨가될 수 있으며, 이외에도 잉크 조성물에 색상을 가미하기 위한 착색제와 산화방지제, 레벨링제 및 표면개질제 등과 같은 다양한 첨가제가 추가될 수 있다.
이와 같은 3D 프린팅용 잉크 조성물의 한 예로써, 본원 발명의 일실시예에서는 PTMEG(poly(tetramethylene-ether)glycol)와 BPEF(bisphenoxy ethanol fluorene)로 구성된 폴리올과 IPDI(isophorone diisocyanate)를 반응시켜 얻어진 우레탄 폴리올에 메타아크릴기를 갖는 HEMA(Hydroxyethylmethacrylate)를 합성하여 광경화가 가능한 (메타)아크릴기를 갖는, 분자량 2886g/mole의 우레탄 아크릴레이트 올리고머를 제조하고, 여기에 역시 광경화가 가능한 (메타)아크릴기를 갖는 모노머의 하나인 미원사의 M1192(Bisphenylmethyl acrylate, BMPA)와 강도 증가를 위한 무기물 필러로 도양소재사의 E400(Talc, 10um 사이즈) 및 미원사의 라디칼 광개시제 CP-4(Hydroxy cyclohexyl phenyl ketone)를 첨가하여 저온 상변이 잉크 조성물을 제조하였다.
이때, 잉크 조성물을 구성하는 우레탄 아크릴레이트 올리고머와 아크릴레이트 모노머는 5 : 1의 중량비로 합성하였고, 첨가된 무기물 필러와 광개시제는 각각 조성물 총 중량 대비 14중량% 및 2중량%로 첨가하였다.
합성된 잉크 조성물은, 광경화된 이후 140MPa의 시컨트 모듈러스(Secant Modulus, 2.5%)를 가지며 10.3MPa의 인장강도(Tensile Modulus at Break)를 갖는 것으로 측정되어 다양한 형상 및 크기의 인쇄물에 충분히 적용가능한 물성을 갖는 것으로 확인되었다.
또한, 상기 잉크 조성물은 20℃에서 1,430,000cPs의 점도를 가지고 있는 것으로 측정되어, 상온에서 슬롯 다이(Slot Die)에 광경화 프린팅을 위해 레이어로 도포되기에 충분한 액상의 점도를 보여주고 있으며, 온도가 낮아짐에 따라 점도가 급격히 상승하여 10℃에서는 500,000,000cPs 이상의 점도를 갖는 것으로 나타나고, 0℃에서는 10,000,000,000cPs 이상으로 통상의 점도계의 측정범위를 넘어서는, 단단하게 굳은 고형화된 상태를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에서는, 앞서의 실시예에서 예시하고 있는 바와 같이, 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 잉크 조성물을 이용하여, 저온 환경에서의 광경화 인쇄 공정을 통해 3D 프린팅 공정을 수행함으로써, 인쇄되는 3D 구조물의 현수부(overhang portion)를 지지하기 위한 별도의 서포터(supporter) 구조를 생략할 수 있으며, 3D 프린팅 공정이 완료된 후에는 상온에서의 후처리 공정을 통해 겔화된 상태에서 미경화된 잉크 조성물을 액상으로 상변이시켜 제거할 수 있도록 구성되어, 후처리 공정이 간편할 뿐만 아니라 세척액 등을 이용한 인쇄물의 마감 공정도 상대적으로 훨씬 용이하게 진행될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법을 적용하여 인쇄물을 생산하는 과정에서 저온에서 겔화된 상태로 미경화된 잉크 조성물에 의해 광경화된 인쇄물이 지지되는 모습을 예시적으로 보여주고 있는 도면으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법은 잉크 조성물의 상변이 이하의 저온 환경이 유지되는 저온 챔버(100) 내에서 수행되며, 이를 위해 저온 챔버(100) 내부에는 내부 대기를 항상 일정 온도 이하로 유지할 수 있도록 냉풍기 등의 온도조절수단(미도시)이 구비될 수 있다.
저온 챔버(100) 내부에는 인쇄물이 인쇄되는 빌드 플랫폼(200)이 구비되며, 이때, 빌드 플랫폼에는 냉각 루프(300) 등과 같은 냉각 수단이 연결되어 빌드 플랫폼(200)의 표면 온도가 항상 일정 온도 이하로 유지되도록 구성된다.
빌드 플랫폼(200)의 상면 일측에는 3D 프린팅용 잉크 조성물을 일정한 두께의 레이어 단위로 도포하는 슬롯 코팅부(400)가 구비되며, 슬롯 코팅부(400)는 잉크 공급 라인(500)을 통해 저온 챔버(100) 외부로부터 상온 상태의 액상 잉크 조성물을 공급받아 빌드 플랫폼(200) 상의 인쇄 영역에 레이어 단위로 도포한다.
본 실시예에서는 빌드 플랫폼(200)의 표면 온도가 항상 5℃ 이하가 되도록 유지하였으며, 저온 챔버(100) 내의 대기 온도 역시 5℃ 이하로 유지하였다.
이때, 빌드 플랫폼(200)의 표면 온도나 저온 챔버(100) 내의 대기 온도는 본 발명에 적용되는 잉크 조성물의 상변이 온도에 따라 적절하게 조절될 수 있으며, 바람직하게는 0℃ ~ 10℃ 내의 범위로 유지하는 것이 효과적이다.
이와 같은 프린팅 환경을 통해, 본 발명에서는 슬롯 코팅부(400)에 의해 액상 상태에서 인쇄 영역에 레이어 단위로 도포되는 잉크 조성물이 도포되는 즉시 냉각되어 겔(gel)화된 고형으로 상변이됨으로써 유동성이 제거되고, 그 자체로 인쇄물의 서포터 기능을 담당할 수 있게 된다.
저온 챔버(100) 상부에는 UV 레이저 또는 DLP(Digital Light Processor) 등과 같은 광 조사수단(600)이 구비되어, 빌드 플랫폼(200) 상부에 도포된 잉크 조성물에 광 패턴을 조사하여 선별적으로 경화시킴으로써 인쇄물을 형성하게 된다.
이와 같은 잉크 조성물의 도포와 광 조사를 통한 인쇄물의 경화는 레이어 단위로 순차적으로 적층되면서 진행되고, 그 과정에서 광 조사 없이, 단순히 동결되어 겔화된 상태에서 고형화된 잉크 조성물(800)은 이미 유동성이 전혀 없는 고체에 가까운 상태이므로, 그 자체로 광경화에 의해 생산되는 인쇄물(700)을 지지하는 서포터의 역할을 수행하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에서는, 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 잉크 조성물을 이용하여, 저온 환경에서의 광경화 인쇄 공정을 통해 3D 프린팅 공정을 수행함으로써, 인쇄되는 3D 구조물의 현수부(overhang portion)를 지지하기 위한 별도의 서포터(supporter) 구조를 생략하여, 프린팅 공정 후, 서포터를 제거하는 후가공 공정을 제거하여 가공 공정을 간소화할 수 있음은 물론, 서포터 구조 형성에 사용되어 소모되는 잉크 조성물을 절감할 수 있어 경제적이다.
상술한 공정을 거쳐 인쇄물의 제작이 완료되면, 인쇄물 및 인쇄물과 함께 적층된 잉크 조성물 블록을 상온실로 이동시켜, 상온에서 방치하거나 또는 약하게 가열하여, 광 조사에 의해 경화된 인쇄물 이외의, 겔화된 고형의 잉크 조성물을 다시 액상으로 상변이시켜 회수하여, 간단한 여과 공정을 거쳐 다시 정화하여 3D 프린팅용 잉크 조성물로 재사용 할 수 있게 된다.
또한, 수득된 인쇄물은 세척 용액을 통한 세척 과정을 통해 인쇄물 표면에 잔존하는 미경화 잉크 조성물을 완전히 제거한 후, 건조함으로써 생산을 완료하게 되는데, 이때 이와 같은 인쇄 후처리의 전 공정은 상온 환경에서 상온의 세척액 등을 통해 수행됨으로써, 후처리 공정을 위한 별도의 추가 설비 구성을 최소화하는 동시에 작업 수행의 편의성을 높일 수 있다는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 단지 본 발명의 바람직한 실시 양태의 일부 사례를 보여주는 것으로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 보호범위는 후술되는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 한정된다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 변경함이 없이 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 당연하므로 이러한 변형이나 개량은 그 범위가 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 사항의 범위에 있는 한, 본 발명의 보호범위에 속한다 할 것이다.
<부호의 설명>
100 : 저온 챔버 200 : 빌드 플랫폼
300 : 냉각 루프 400 : 슬롯 코팅부
500 : 잉크 공급 라인 600 : 광 조사수단
700 : 인쇄물 800 : 고형화된 잉크 조성물
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법에서는, 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 잉크 조성물을 이용하여, 저온 환경에서의 광경화 인쇄 공정을 통해 3D 프린팅 공정을 수행함으로써, 인쇄되는 3D 구조물의 현수부(overhang portion)를 지지하기 위한 별도의 서포터(supporter) 구조를 생략하여, 프린팅 공정 후, 서포터를 제거하는 후가공 공정을 제거하여 가공 공정을 간소화하는 동시에, 서포터 구조 형성에 사용되어 소모되는 잉크 조성물을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 3D 프린팅 공정이 완료된 후에는 상온에서의 후처리 공정을 통해 겔화된 상태에서 미경화된 잉크 조성물을 액상으로 상변이시켜 제거할 수 있도록 구성되어, 후처리 공정을 위한 별도의 추가 설비 구성을 최소화하는 동시에, 후처리 공정을 보다 손쉽게 처리할 수 있다.

Claims (8)

  1. 상온에서는 액상으로 유지되며, 일정 온도 이하의 저온에서는 동결되어 겔(gel)화되는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법에 있어서,
    일정 온도 이하의 저온 환경이 유지되는 저온 챔버 내에서, 냉각 수단에 의해 표면 온도가 일정 온도 이하의 저온으로 유지되는 빌드 플랫폼 위에, 상기 저온 챔버 외부와 연결된 슬롯 코팅부를 통해 상온의 액상 상태인 상기 저온 상변이 잉크 조성물을 레이어 단위로 도포하는 단계;
    상기 도포된 잉크 조성물에 광 조사수단을 통해 일정 패턴을 갖는 광을 조사하여, 도포된 잉크 조성물을 선택적으로 광경화시키는 단계; 및
    상기 광경화가 완료된 잉크 조성물 레이어 위에, 상기 저온 챔버 외부와 연결된 슬롯 코팅부를 통해 상온의 액상 상태인 상기 저온 상변이 잉크 조성물을 다시 레이어 단위로 도포하고, 광 조사를 통해 도포된 잉크 조성물을 선택적으로 광경화시키는 단계를 반복하여, 광경화된 레이어들이 적층된 3D 인쇄물을 인쇄하는 단계;를 포함하여 구성되어,
    광경화를 통해 적층 인쇄되는 3D 인쇄물을, 액상으로 레이어 단위로 도포되고 빌드 플랫폼 상에서 동결되어, 겔(gel)화된 고형으로 상변이 되어 굳어진 잉크 조성물을 통해 지지하도록 구성됨으로써, 인쇄되는 3D 구조물의 현수부(overhang portion)를 지지하기 위한 별도의 서포터 구조의 인쇄를 생략할 수 있는 것을 특징으로 하는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 저온 챔버에는 내부 대기를 항상 일정 온도 이하로 유지하기 위한 온도조절수단을 구비하여,
    저온 챔버 내의 대기 환경이 항상 0℃ ~ 10℃ 범위의 저온으로 유지되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 빌드 플랫폼에는 빌드 플랫폼의 표면 온도를 항상 일정 온도 이하로 유지하기 위한 냉각 수단을 구비하여,
    빌드 플랫폼의 표면 온도가 항상 0℃ ~ 10℃ 범위의 저온으로 유지되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 슬롯 코팅부는 잉크 공급 라인을 통해 상기 저온 챔버 외부의 잉크 저장고와 연결되어,
    잉크 저장고로부터 공급되는 상온의 액상 상태인 잉크 조성물을 레이어 단위로 도포하는 것을 특징으로 하는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법에 사용되는 잉크 조성물은,
    20℃에서 50,000 ~ 5,000,000cPs 범위의 점도를 가지는 것을 특징으로 하는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법에 사용되는 잉크 조성물은,
    0℃ ~ 10℃에서 500,000,000cPs 이상의 점도를 가지는 것을 특징으로 하는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 3D 인쇄물을 인쇄하는 단계가 완료된 이후에는,
    광경화된 3D 인쇄물 및 고형으로 상변이 되어 굳어진 잉크 조성물로 이루어지는 잉크 조성물 블록을 상온실로 이동시켜, 상온 환경에서 광경화된 3D 인쇄물 이외의, 겔화된 고형의 잉크 조성물을 다시 액상으로 상변이시켜 회수하여 여과함으로써, 회수되는 잉크 조성물을 재사용 할 수 있는 것을 특징으로 하는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 겔화된 고형의 잉크 조성물을 액상으로 상변이시켜 회수한 이후에는,
    수득된 3D 인쇄물을 상온 환경에서 세척 용액을 이용하여 세척하여, 3D 인쇄물 표면에 잔존하는 미경화 잉크 조성물을 제거한 후, 건조하는 단계가 추가로 수행되는 것을 특징으로 하는 저온 상변이 잉크 조성물을 이용한 3D 프린팅 방법.
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