WO2024076154A1 - 3d 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체 및 이의 제조방법 - Google Patents

3d 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체 및 이의 제조방법 Download PDF

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flame retardant
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composite structure
manufacturing
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김민겸
김태환
윤혜정
김초원
트렁티엔 트란
김윤철
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성균관대학교산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a method of designing and manufacturing an insulation material that simultaneously maximizes flame retardancy and insulation properties using FDM (fused deposition modeling) 3D printing technology using a 3D printing material/structure/process linked design system.
  • FDM fused deposition modeling
  • Insulating materials such as EPS, Neopol, and Isopink are mainly used to insulate the interior and exterior of buildings. These insulation materials have a thermal conductivity of 0.025 ⁇ 0.04 W/mK, which means that when applying the recently revised energy-saving design standards for buildings, the central Based on the region, 120 ⁇ 190mm should be used.
  • energy-saving design standards are gradually being strengthened in accordance with the government's policy of low-carbon green growth and strengthening energy efficiency of buildings, and the thickness of these insulation materials is expected to increase to 170 ⁇ 270mm in 2017.
  • Vacuum insulation material has a thermal conductivity of about 0.002 W/mK, which is about 20 times better than regular EPS, so it can meet insulation standards by using only 10mm as of the current central region standard.
  • the insulation performance drops sharply when the vacuum is destroyed by an external shock, so it is only applied to a very limited range, such as refrigerators, bathtubs, and thermos bottles.
  • the purpose of the present invention is to develop an interlocking design method that simultaneously implements flame retardant and heat insulation properties, and the resulting architectural composite material and 3D printing structure.
  • the external structure uses a composite material containing a PK (Polyketone)-based hybrid flame retardant to provide flame retardant properties
  • the internal structure uses HIPS (High impact polystyrene) material to maximize insulation performance.
  • the goal is to maximize insulation performance by utilizing FDM 3D printing technology to create multi-dimensional voids.
  • a composite structure having flame retardant and heat insulating properties manufactured by 3D printing includes an internal structure formed including high impact polystyrene (HIPS); and an external structure disposed on at least a lower or upper surface of the internal structure and at least partially surrounding the internal structure, wherein the internal structure has multidimensional pores of microscale, mesoscale, and macroscale.
  • HIPS high impact polystyrene
  • MPP Melamine polyphosphate
  • PER Penentaerythriol
  • MOSw magnesium oxysulfate whisker
  • thermoplastic polymer may be polyketone.
  • the polyketone content may be 70 to 90 wt%
  • the MPP and PER content may be 16 to 20 wt%
  • the MOSw content may be 1.5 to 2.5 wt%.
  • the polyketone content may be 80 wt%
  • the MPP and PER content may be 18 wt%
  • the MOSw content may be 2 wt%.
  • the insulation material according to an embodiment of the present invention may be arranged in n x m composite structures having flame retardant and heat insulating properties manufactured by 3D printing (n and m are integers of 1 or more).
  • the method for manufacturing a composite structure with flame retardant and heat insulating properties using 3D printing is to structure high impact polystyrene (HIPS) to produce microscale, mesoscale, and macroscale structures.
  • HIPS high impact polystyrene
  • MPP Melamine polyphosphate
  • It may include forming an external structure containing pentaerythriol (PER) and magnesium oxysulfate whisker (MOSw) on at least the lower or upper surface of the internal structure.
  • PER pentaerythriol
  • MOSw magnesium oxysulfate whisker
  • thermoplastic polymer may be polyketone.
  • the polyketone content may be 70 to 90 wt%
  • the MPP and PER content may be 16 to 20 wt%
  • the MOSw content may be 1.5 to 2.5 wt%.
  • the polyketone content may be 80 wt%
  • the MPP and PER content may be 18 wt%
  • the MOSw content may be 2 wt%.
  • forming the internal structure includes optimizing a process for creating microscale voids using a HIPS material using a FDM (Fused Deposition Modeling) 3D printer; Optimizing the process of creating mesoscale voids by designing the infill pattern and infill density; and optimizing the process for creating macroscale voids through structural analysis.
  • FDM Field Deposition Modeling
  • the step of optimizing the process of creating microscale voids using the HIPS material using an FDM 3D printer involves setting the nozzle temperature to 210 to 230°C, the printing speed to 60 to 80 mm/s, and the bed temperature to 110 to 110 mm/s. It can be optimized to 130°C.
  • the nozzle temperature can be optimized to 220°C, the printing speed to 70 mm/s, and the bed temperature to 120°C. there is.
  • the step of optimizing the process of creating mesoscale voids by designing the internal filling pattern and internal filling density involves performing an internal filling process above the critical point of the internal filling density that becomes a closed cell according to the internal filling pattern. It can be optimized to do so.
  • the step of optimizing the process of creating macroscale voids through structural analysis includes determining the shape of the macroscale voids as a cubic shape in the shape of a rectangular parallelepiped through finite element analysis; In order to optimize the cubic shape, setting the volume and dimensions as design variables and performing a heat transfer analysis by manufacturing a closed-cell specimen in a rectangular shape with a predetermined thickness; Confirming that the width and length of the rectangular parallelepiped are the same and that the smaller the height is, the better the insulation performance is through the heat transfer analysis; and selecting a representative volume element (RVE) model applying the optimal width, length, and height for each volume.
  • RVE volume element
  • the 3D printed insulation material developed in the present invention does not use halogen-based flame retardants or freon-based foaming agents, which are used for the insulation performance of existing organic insulation materials, and can achieve flame retardancy and sound absorption performance to reduce toxic gas generation during eco-friendly insulation manufacturing and combustion. .
  • the insulation is semi-permanently sustainable due to the production of insulation materials that do not use foaming agents, and not only provides freedom in architectural insulation design (applying free shapes such as curved surfaces), but also provides energy saving effects through seamless insulation construction in future construction automation systems. You can expect it.
  • the insulation material and 3D printing process-structure interlocking design technology developed in the present invention may be utilized not only in the construction field but also in various industrial fields in the future.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a composite structure with flame retardant and heat insulating properties manufactured by 3D printing according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram showing an insulation material in which n x m composite structures having flame retardant and heat insulating properties manufactured by 3D printing according to an embodiment of the present invention are arranged.
  • Figure 3 is a flowchart showing the steps of designing and forming an internal structure that structures high impact polystyrene (HIPS) to form multidimensional pores at the microscale, mesoscale, and macroscale.
  • HIPS high impact polystyrene
  • Figure 4 is a flowchart showing steps for optimizing the process of creating macroscale voids through structural analysis.
  • Figure 5 shows cone calorimeter test evaluation data for quasi-non-combustible performance testing.
  • Figure 6 shows a filament for 3D printing of PK/MPP/PER/MOSw composite material.
  • Figure 7 shows a conceptual diagram of multiscale porous structure design.
  • Figure 8 shows the evaluation of output results (printability, density) according to process conditions (nozzle temperature, printing speed, bed temperature).
  • Figure 9 shows an example of a printing failure that occurs when process condition design fails.
  • Figure 10 shows optical microscope measurement results for each internal filling pattern.
  • Figure 11 shows the output result of applying the critical internal filling density for manufacturing closed cells for each internal filling pattern.
  • Figure 12 shows the output results when adjusting the type of internal filling pattern and internal filling density.
  • Figure 13 shows a density graph according to the internal filling density for each internal filling pattern.
  • Figure 14 shows a table of thermal properties at critical internal filling density for each internal filling pattern.
  • Figures 15 and 16 are diagrams showing the analysis of the minimum printable thickness when using an FDM 3D printer nozzle.
  • Figure 17 shows a representative unit (RVE) model and analysis conditions for heat transfer analysis.
  • Figure 18 shows the results of heat transfer analysis applying the spherical and cubic RVE models.
  • Figure 19 shows heat transfer analysis results according to cuboid volume and cuboid dimensions.
  • Figure 20 shows the results of heat transfer analysis and actual thermal conductivity measurement.
  • Figure 21 shows the output of a 300x300x13 mm 3 specimen for measuring insulation performance by a certified agency.
  • Figure 22 shows the results of an insulation performance test by a certified agency.
  • a composite structure with flame retardant and heat insulating properties manufactured by 3D printing includes an internal structure formed including high impact polystyrene (HIPS); and an external structure disposed on at least a lower or upper surface of the internal structure and at least partially surrounding the internal structure, wherein the internal structure has multidimensional pores of microscale, mesoscale, and macroscale. It includes, and the external structure is a thermoplastic polymer; MPP (Melamine polyphosphate); It may be formed including PER (Pentaerythriol) and MOSw (magnesium oxysulfate whisker).
  • HIPS high impact polystyrene
  • MPP Melamine polyphosphate
  • PER Penentaerythriol
  • MOSw magnesium oxysulfate whisker
  • the present invention relates to a method of designing and manufacturing an insulation material that simultaneously maximizes flame retardancy and insulation properties using FDM 3D printing technology using a 3D printing material/structure/process linked design system.
  • the external structure uses a composite material containing a PK (Polyketone)-based hybrid flame retardant to provide flame retardant properties, and the internal structure uses HIPS (High impact polystyrene) material to maximize insulation performance.
  • PK Polyketone
  • HIPS High impact polystyrene
  • Figure 1 shows a schematic diagram of a composite structure having flame retardant and heat insulating properties manufactured by 3D printing according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 shows flame retardant and heat insulating properties manufactured by 3D printing according to an embodiment of the present invention. It shows an insulating material in which n x m composite structures having are arranged.
  • a composite structure with flame retardant and heat insulating properties manufactured by 3D printing has an internal structure formed including high impact polystyrene (HIPS). 10); and external structures 12 and 14 disposed on at least a lower or upper surface of the internal structure and at least partially surrounding the internal structure.
  • HIPS high impact polystyrene
  • the internal structure 10 is formed of high impact polystyrene (HIPS) and contains multidimensional pores at the microscale, mesoscale, and macroscale.
  • HIPS high impact polystyrene
  • the external structures 12 and 14 may be disposed on at least the lower or upper surface of the internal structure 10 and partially or completely surround the internal structure 10.
  • These external structures include thermoplastic polymers; MPP (Melamine polyphosphate); It is formed including PER (Pentaerythriol) and MOSw (magnesium oxysulfate whisker).
  • Thermoplastic polymers include polyketones.
  • the polyketone content is preferably 70 to 90 wt%, the MPP and PER content is 16 to 20 wt%, and the MOSw content is 1.5 to 2.5 wt%, and most preferably Preferably, the polyketone content is 80 wt%, the MPP and PER content is 18 wt%, and the MOSw content is 2 wt%.
  • the polyketone content is 80 wt%, the MPP and PER content is 18 wt%, and the MOSw content is 2 wt%.
  • it showed optimal flame retardancy and semi-non-flammable performance, and was also possible to manufacture through 3D printing.
  • n x m pieces When used as an insulating material, a plurality of composite structures manufactured according to the present invention are arranged in n x m pieces (n and m are integers of 1 or more). In Figure 2, you can see the insulation material arranged in 3 x 3 pieces, which corresponds to an example.
  • a method of manufacturing a composite structure with flame retardant and heat insulating properties using 3D printing includes a thermoplastic polymer; MPP (Melamine polyphosphate); Designing and forming an external structure including PER (Pentaerythriol) and MOSw (magnesium oxysulfate whisker); and structuring high impact polystyrene (HIPS) to design and form an internal structure that forms multidimensional pores at the microscale, mesoscale, and macroscale.
  • HIPS high impact polystyrene
  • the step of designing and forming the external structure includes thermoplastic polymer; MPP (Melamine polyphosphate); It is designed by controlling the contents of PER (Pentaerythriol) and MOSw (magnesium oxysulfate whisker).
  • the thermoplastic polymer includes polyketone.
  • the content of the polyketone is designed to be 70 to 90 wt%
  • the content of the MPP and PER is 16 to 20 wt%
  • the content of the MOSw is designed to be 1.5 to 2.5 wt%.
  • the polyketone content is 80 wt%
  • the MPP and PER content is 18 wt%
  • the MOSw content is designed to be 2 wt%.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the steps for structuring high impact polystyrene (HIPS) to form an internal structure that forms multidimensional pores at the microscale, mesoscale, and macroscale.
  • HIPS high impact polystyrene
  • the step of designing and forming an internal structure that structures high impact polystyrene (HIPS) to form multidimensional pores at the microscale, mesoscale, and macroscale is to use the HIPS material using FDM (Fused Deposition Modeling).
  • HIPS high impact polystyrene
  • FDM Fused Deposition Modeling
  • step S 310 the process of creating microscale voids is optimized using HIPS material using an FDM 3D printer.
  • the nozzle temperature is 210 to 230 °C
  • the printing speed is 60 to 80 mm/s
  • the bed temperature is 110 °C. It is preferable to optimize the temperature to 130°C, and more preferably, the nozzle temperature is 220°C, the printing speed is 70 mm/s, and the bed temperature is 120°C. Under these conditions, it was confirmed that the insulation performance was improved by creating microscale voids, and this will be further explained in the examples described later.
  • the process of creating mesoscale voids is optimized by designing the infill pattern and infill density. Specifically, the infill density that becomes a closed cell according to the infill pattern is optimized. Optimize to perform the internal filling process above the critical point. There are eight internal filling patterns, and for each internal filling pattern, the critical point of the internal filling density that becomes a closed cell is found, and the internal filling process is performed above the critical point based on the found critical point to achieve the minimum thermal conductivity. can be achieved.
  • step S330 the process for creating macroscale voids is optimized through structural analysis.
  • Figure 4 is a flowchart showing steps for optimizing the process of creating macroscale voids through structural analysis.
  • the step of optimizing the process of creating macroscale voids through structural analysis is the step of determining the shape of the macroscale voids as a cubic shape in the shape of a rectangular parallelepiped through finite element analysis ( S 410); In order to optimize the cubic shape, setting the volume and dimensions as design variables and performing a heat transfer analysis by manufacturing a closed-cell specimen in a rectangular shape with a predetermined thickness (S420); Making the width and length of the rectangular parallelepiped the same through the heat transfer analysis and confirming that the smaller the height, the better the insulation performance (S430); and a step of selecting a representative volume element (RVE) model applying the optimal width, length, and height for each volume (S440).
  • RVE representative volume element
  • step S410 the shape of the macroscale void is determined as a cubic shape in the shape of a rectangular parallelepiped through finite element analysis.
  • step S 420 volume and dimensions are set as design variables to optimize the cubic shape, and a closed-cell specimen is manufactured in a rectangular shape with a set thickness to conduct heat transfer analysis.
  • the shape is a rectangular cubic shape and the thickness is applied as a limiting condition to the already determined minimum thickness, and in the cubic shape, the volume and dimensions are set as design variables, respectively, and heat transfer analysis is performed.
  • step S430 through the heat transfer analysis, it is confirmed that the width and length of the rectangular parallelepiped are the same and that the smaller the height, the better the insulation performance.
  • step S 440 a representative volume element (RVE) model with optimal width, length, and height for each volume is selected.
  • RVE volume element
  • Pellet-type thermoplastic polymer (polyketone), MPP (Melamine polyphosphate), which constitutes an IFR (Intumescent flame retardants) system, PER (Pentaerythriol) powder, and eco-friendly flame retardant MOS whisker (density 2.3g/cm 3 , diameter 0.46( ⁇ It is dried in a vacuum oven at 80°C for 8 hours to remove moisture of 0.11)um, length 25.5( ⁇ 6.8)um).
  • thermoplastic polymer resin As in Preparation Examples 1 to 4 in Table 1 below, 0 to 28 wt% of MPP and PER powder and 0 to 2 wt% of MOS whisker were uniformly dispersed in 70 to 100 wt% of thermoplastic polymer resin, and then the thermoplastic polymer was extruded using a twin-screw extruder. Knead above the melting temperature of the resin. At this time, the extruded composite material is inserted into the pelletizer to obtain a thermoplastic resin composite masterbatch filled with uniform MPP and PER powders and MOS whisker.
  • Manufacturing example 1 Manufacturing example 2 Manufacturing example 3 Manufacturing example 4 Thermoplastic polymer resin (wt%) 100 90 80 70 MPP, PER, powder (wt%) - 8 18 28 MOS whisker(wt%) - 2 2 2
  • Preparation Examples 1 to 4 were manufactured using a hot press at 210 ° C. and under a 2 ton load to produce specimens with a shape of 100 mm in width, 100 mm in height, and 3 mm in thickness, and flame retardancy tests were performed. , Tensile specimens were manufactured at 220°C using an injection molding machine to evaluate mechanical properties.
  • the average behavioral suspension time of the white test rats was 09 minutes 08 seconds for the first time and 09 minutes 05 seconds for the second time, which is more than 9 minutes, which is the semi-non-flammable achievement standard.
  • a 3D printing filament was manufactured as shown in FIG. 6 based on the composite material of Preparation Example 3 to implement sound absorption and flame retardant properties, and FDM (Fused Deposition Modeling) was performed to determine whether the manufactured composite filament can be printed.
  • FDM Field Deposition Modeling
  • the possibility of printing was confirmed by checking whether the filament passed through the 3D printer nozzle entrance without interruption.
  • 3D printing was performed well, but in Production Example 4, 3D printing was not performed properly.
  • the flame retardancy is good at the content of Preparation Example 4, but 3D printing is difficult to proceed, so in the step of designing and forming the external structure, the content of the polyketone is 70 to 90 wt%, and the content of the MPP and PER is 70 to 90 wt%.
  • the content is 16 to 20 wt%, and the content of MOSw is designed to be 1.5 to 2.5 wt%. More preferably, the content of polyketone is 80 wt%, the content of MPP and PER is 18 wt%, and the MOSw content is 18 wt%.
  • the content is designed to be 2 wt%.
  • Figure 7 shows a conceptual diagram of multiscale porous structure design.
  • the density of the additively manufactured specimen was measured according to the bed temperature (80 ⁇ 130°C), printing speed (10 ⁇ 80 mm/s), and nozzle temperature (230 ⁇ 290°C) of the FDM 3D printer.
  • bed temperature 80 ⁇ 130°C
  • printing speed 10 ⁇ 80 mm/s
  • nozzle temperature 230 ⁇ 290°C
  • the optimal process conditions for creating microscale voids caused by process conditions were derived.
  • the optimal process conditions are preferably optimizing the nozzle temperature to 210 to 230°C, the printing speed to 60 to 80 mm/s, and the bed temperature to 110 to 130°C, and more preferably the nozzle temperature to 220°C. It is desirable to optimize the speed to 70 mm/s and the bed temperature to 120°C. Under these conditions, a density of 0.9833 g/cc (porosity: 5.45%) was achieved compared to the density of HIPS material (1.04 g/cc), and it was confirmed that the insulation performance was improved by creating microscale pores.
  • the porosity of the specimen varies depending on the internal filling pattern and its density in the software that slices the STL drawing, and an open cell or closed cell is produced.
  • the process identifies a suitable internal fill pattern and minimum internal fill density that will result in a closed cell specimen to increase mesoscale porosity.
  • Figure 11 is a result showing the minimum internal filling density that becomes a closed cell when applying each internal filling pattern, and through Figure 13, the value of the internal filling density corresponding to each internal filling pattern can be visually determined.
  • the internal filling density was 83% for Tetraheral pattern, 88% for Concentric, 91% for Concentric-3D, 91% for Grid, 100% for Triangle, 83% for Cubic, and 88% for Line. %, in the case of Cubic-3D, 81% is the critical point at which cells become closed.
  • RVE models were created as macroscale pores to measure thermal conductivity by applying process conditions, internal filling pattern, and internal filling density. type), etc., and conduct finite element analysis to evaluate the insulation performance according to shape and dimensions by applying 0 °C and 50 °C as boundary conditions at both ends, respectively.
  • the volume of the cuboid (27, 36, 48, 64 mm 3 ) and the dimensions of the cuboid (width, length, height) were set as design variables, and the printable shape and thickness ( 0.3 mm) is set as a limiting condition and heat transfer analysis is performed.
  • the results of the heat transfer analysis are calculated as equivalent thermal conductivity as shown in Figure 19 and displayed in a three-dimensional graph with width, length, and height as variables. Under the same volume of a rectangular parallelepiped, the larger the width/length and the smaller the height, the lower the thermal conductivity. This means that the height in the same direction as the direction of applying heat is small, and the larger the width/length perpendicular to the direction in which the heat flux flows, the larger the width/length of the heat flux flows. As the degree of interference with heating increases, thermal conductivity is reduced and insulation performance is improved.
  • the output time when producing a specimen of 300x300x13 mm 3 by repeatedly arranging the RVE model with the optimal width/length/height for each volume of 24, 36, 48, and 64 mm 3 was analyzed to determine the output time of the RVE model with a volume of 27 mm 3
  • the optimal width/length/height it takes 36 hours, and when the width and length are set the same, the printing time is shortened to 16 hours.
  • the final selected RVE model is as follows, and Figure 20 compares the results of finite element analysis and actual experiment.
  • the present invention can be used to design and manufacture an insulation material that simultaneously maximizes flame retardancy and insulation properties using FDM (fused deposition modeling) 3D printing technology.
  • FDM fused deposition modeling

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Abstract

3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체가 개시된다. 3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체는 고충격 폴리스티렌(high impact polystyrene; HIPS)을 포함하여 형성되는 내부 구조물; 및 상기 내부 구조물의 적어도 하면 또는 상면에 배치되어 상기 내부 구조물을 적어도 부분적으로 감싸는 외부 구조물을 포함하고, 상기 내부 구조물은 마이크로스케일(microscale), 메소스케일(mesoscale) 및 매크로스케일(macroscale)의 다차원 공극을 포함하고 있으며, 상기 외부 구조물은 열가소성 고분자; MPP(Melamine polyphosphate; 멜라민 폴리포스페이트); PER(Pentaerythriol; 펜타에리트리톨) 및 MOSw (magnesium oxysulfate whisker; 마그네슘 옥시설페이트 위스커)을 포함하여 형성될 수 있다.

Description

3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체 및 이의 제조방법
본 발명은 3D 프린팅 소재/구조/공정 연동형 설계 시스템을 활용하여 FDM(Fused deposition modeling) 3D 프린팅 기술로 난연 및 단열 특성을 동시에 극대화하는 단열재를 설계 및 제작하는 방법에 관한 것이다.
건축물의 내·외부 단열은 EPS, 네오폴, 아이소핑크 등의 단열재로 주로 사용되는데, 이들 단열재의 경우 열전도율이 0.025~0.04 W/mK 수준으로 최근 개정된 건축물의 에너지절약 설계기준을 적용할 경우 중부지역 기준으로 120~190mm를 사용하여야 한다. 특히 정부의 저탄소 녹생성장과 건축물의 에너지 효율 강화정책에 따라 에너지절약 설계기준이 점차 강화되고 있으며, 2017년의 경우 이들 단열재의 두께는 170~270mm 까지 증가될 것으로 예상된다.
진공단열재는 열전도율이 0.002 W/mK 정도로 일반 EPS 대비 약 20배 이상 단열성능이 우수하므로 현행 중부지역 기준 10mm만 사용하여도 단열기준을 충족할 수 있다. 그러나 탁월한 단열성능에도 불구하고 외부충격에 진공이 파괴될 경우 단열성능이 급격히 떨어지는 문제가 있으므로 냉장고, 욕조, 보온병 등 극히 일부 범위에 적용되고 있는 실정이다.
이에 따라 건축물의 화재안전성을 향상시키고, 단열성능이 탁월한 진공단열재를 적용할 수 있는 건축물의 난연 보강 및 초고단열 시공방법의 개발이 필요한 실정이다. 특히 최근 건축현장에서 시멘트를 활용한 3D 프린팅 기술로 건축을 진행하는 사례가 다수 있으나 건축용 3D 프린팅용 소재가 극히 적으며, 다양한 소재를 활용할 방안이 마련되어 있지 않은 실정이다.
본 발명의 목적은 난연·단열 특성을 동시에 구현하는 연동형 설계 방안과 이에 따른 건축용 복합소재 및 3D 프린팅 구조를 개발하는 것이다.
외부구조는 PK(Polyketone) 기반 하이브리드 난연제를 첨가한 복합소재를 활용하여 난연 특성을 부여하고, 내부구조는 HIPS (High impact polystyrene) 소재를 구조화하여 단열 성능을 극대화하고자 한다. 내부구조의 경우 FDM 3D 프린팅 기술을 활용하여, 다차원의 공극을 구현하여 단열 성능을 극대화하는데 목적을 두고 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체는 고충격 폴리스티렌(high impact polystyrene; HIPS)을 포함하여 형성되는 내부 구조물; 및 상기 내부 구조물의 적어도 하면 또는 상면에 배치되어 상기 내부 구조물을 적어도 부분적으로 감싸는 외부 구조물을 포함하고, 상기 내부 구조물은 마이크로스케일(microscale), 메소스케일(mesoscale) 및 매크로스케일(macroscale)의 다차원 공극을 포함하고 있으며, 상기 외부 구조물은 열가소성 고분자; MPP(Melamine polyphosphate; 멜라민 폴리포스페이트); PER(Pentaerythriol; 펜타에리트리톨) 및 MOSw (magnesium oxysulfate whisker; 마그네슘 옥시설페이트 위스커)을 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 열가소성 고분자는 폴리케톤(polyketone)일 수 있다.
또한, 상기 폴리케톤의 함량은 70 내지 90 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 16 내지 20wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 1.5 내지 2.5wt%일 수 있다.
또한, 상기 폴리케톤의 함량은 80 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 18 wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 2 wt%일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 단열재는 상기 3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체가 n x m 개(n, m 은 1이상의 정수)로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅을 이용한 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 제조 방법은 고충격 폴리스티렌(HIPS)을 구조화하여 마이크로스케일(microscale), 메소스케일(mesoscale) 및 매크로스케일(macroscale)의 다차원 공극이 형성된 내부 구조물을 형성하는 단계; 및 열가소성 고분자; MPP(Melamine polyphosphate; 멜라민 폴리포스페이트); PER(Pentaerythriol; 펜타에리트리톨) 및 MOSw (magnesium oxysulfate whisker; 마그네슘 옥시설페이트 위스커)을 포함하는 외부 구조물을 상기 내부 구조물의 적어도 하면 또는 상면에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열가소성 고분자는 폴리케톤(polyketone)일 수 있다.
또한, 상기 폴리케톤의 함량은 70 내지 90 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 16 내지 20wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 1.5 내지 2.5wt% 일 수 있다.
또한, 상기 폴리케톤의 함량은 80 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 18 wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 2 wt%일 수 있다.
또한, 상기 내부 구조물을 형성하는 단계는, HIPS 소재를 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식 3D 프린터를 이용하여 마이크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계; 내부 채움 패턴(Infill pattern)과 내부 채움 밀도(infill density) 설계로 메소스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계; 및 구조 해석을 통해 매크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 HIPS 소재를 FDM 방식 3D 프린터를 이용하여 마이크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계는, 노즐 온도를 210 내지 230℃, 프린팅 속도를 60 내지 80 mm/s, 및 베드 온도를 110 내지 130℃로 최적화할 수 있다.
또한, 상기 HIPS 소재를 FDM 방식 3D 프린터를 이용하여 마이크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계는, 노즐 온도를 220℃, 프린팅 속도를 70 mm/s, 및 베드 온도를 120℃로 최적화할 수 있다.
또한, 상기 내부 채움 패턴과 내부 채움 밀도 설계로 메소스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계는, 내부 채움 패턴에 따라 닫힌 셀(closed cell)이 되는 내부 채움 밀도의 임계점 이상으로 내부 채움 공정을 수행하도록 최적화할 수 있다.
또한, 상기 구조 해석을 통해 매크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계는, 유한 요소 해석(finite element analysis)을 통해 메크로스케일 공극의 형태를 직육면체 형상의 큐빅 형태로 결정하는 단계; 상기 큐빅 형태를 최적화하기 위해 부피 및 치수를 설계 변수로 설정하고 직사각형 형태로 정해진 두께로 닫힌 셀 시편을 제작하여 열전달 해석을 진행하는 단계; 상기 열전달 해석을 통해 직육면체의 너비 및 길이를 동일하게 하고 높이가 작을수록 단열 성능이 향상됨을 확인하는 단계; 및 부피별로 최적의 너비, 길이 및 높이를 적용한 RVE(Representative volume element) 모델을 선정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서 개발한 3D 프린팅 단열재는 할로겐계 난연제와 기존 유기단열재 의 단열성능을 위해 사용되고 있는 프레온계 발포제를 사용하지 않고, 난연 및 흡음 성능을 구현해 친환경적 단열재 제조와 연소 시 유독가스 발생을 줄일 수 있다.
또한, 발포제를 사용하지 않는 단열재 제작으로 단열이 반영구적으로 지속가능하며, 건축 단열 설계의 자유도 제공(곡면 등 자유형상 적용) 뿐만 아니라, 향후 건축 자동화 시스템에서 이음매 없는 단열 시공을 통한 에너지 절감효과를 기대할 수 있다.
향후 3D 프린팅 기술이 발전하고 건축 자동화 기술이 보급화 된다면 이에 맞추어 본 발명에서 개발한 단열재와 3D 프린팅 공정-구조 연동설계 기술이 향후 건축 분야 뿐만 아니라 다양한 산업 분야에 활용 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체가 n x m개 배열된 단열재 모습을 나타내는 도면이다.
도 3은 고충격 폴리스티렌(HIPS)을 구조화하여 마이크로스케일, 메소스케일 및 매크로스케일의 다차원 공극을 형성하는 내부 구조물을 설계하여 형성하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 4는 구조 해석을 통해 매크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 5는 준불연 성능 시험을 위한 콘칼로리미터 시험평가 데이터를 도시한다.
도 6은 PK/MPP/PER/MOSw 복합소재 3D 프린팅용 필라멘트를 도시한다.
도 7은 Multiscale 다공성 구조설계 개념도를 도시한다.
도 8은 공정조건(노즐온도, 프린팅속도, 베드온도)에 따른 출력물의 결과물(Printability, 밀도) 평가를 도시한다.
도 9는 공정조건 설계 실패 시 발생하는 프린팅 실패 예시를 도시한다.
도 10은 내부 채움 패턴별 광학 현미경 측정 결과를 도시한다.
도 11은 내부 채움 패턴별 닫힌 셀 제작을 위한 임계 내부 채움 밀도를 적용한 출력물 결과를 도시한다.
도 12는 내부 채움 패턴 종류 및 내부 채움 밀도 조절 시의 출력물 결과를 도시한다.
도 13은 내부 채움 패턴별 내부 채움 밀도에 따른 밀도 그래프를 도시한다.
도 14는 내부 채움 패턴별 임계 내부 채움 밀도에서의 열적 물성 표를 도시한다.
도 15 및 도 16은 FDM 3D 프린터 노즐 활용 시 프린팅 가능한 최소 두께 분석을 나타내는 도면이다.
도 17은 열전달 해석을 위한 대표 단위(RVE) 모델 및 해석 조건을 도시한다.
도 18은 구형, 정육면체 RVE 모델 적용 열전달 해석 결과를 도시한다.
도 19는 직육면체 부피, 직육면체 치수에 따른 열전달 해석 결과를 도시한다.
도 20은 열전달 해석 및 실제 열전도도 측정 결과를 도시한다.
도 21은 공인기관 단열성능 측정을 위한 300x300x13 mm3 시편 출력을 도시한다.
도 22는 공인기관 단열성능 시험 결과를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체는 고충격 폴리스티렌(high impact polystyrene; HIPS)을 포함하여 형성되는 내부 구조물; 및 상기 내부 구조물의 적어도 하면 또는 상면에 배치되어 상기 내부 구조물을 적어도 부분적으로 감싸는 외부 구조물을 포함하고, 상기 내부 구조물은 마이크로스케일(microscale), 메소스케일(mesoscale) 및 매크로스케일(macroscale)의 다차원 공극을 포함하고 있으며, 상기 외부 구조물은 열가소성 고분자; MPP(Melamine polyphosphate; 멜라민 폴리포스페이트); PER(Pentaerythriol; 펜타에리트리톨) 및 MOSw (magnesium oxysulfate whisker; 마그네슘 옥시설페이트 위스커)을 포함하여 형성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 3D 프린팅 소재/구조/공정 연동형 설계 시스템을 활용하여 FDM 3D 프린팅 기술로 난연 및 단열 특성을 동시에 극대화하는 단열재를 설계 및 제작하는 방법에 관한 것이다. 외부구조는 PK(Polyketone) 기반 하이브리드 난연제를 첨가한 복합소재를 활용하여 난연 특성을 부여하고, 내부구조는 HIPS(High impact polystyrene) 소재를 구조화하여 단열 성능을 극대화하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 개략도를 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체가 n x m개 배열된 단열재 모습을 도시한다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체는, 고충격 폴리스티렌(high impact polystyrene; HIPS)을 포함하여 형성되는 내부 구조물(10); 및 상기 내부 구조물의 적어도 하면 또는 상면에 배치되어 상기 내부 구조물을 적어도 부분적으로 감싸는 외부 구조물(12, 14)을 포함한다.
내부 구조물(10)은 고충격 폴리스티렌(high impact polystyrene; HIPS)을 포함하여 형성되며, 마이크로스케일(microscale), 메소스케일(mesoscale) 및 매크로스케일(macroscale)의 다차원 공극을 포함하고 있다.
외부 구조물(12, 14)은 내부 구조물(10)의 적어도 하면 또는 상면에 배치되어 내부 구조물(10)을 부분적으로 또는 완전히 감싸는 형태일 수 있다. 이러한 외부 구조물은 열가소성 고분자; MPP(Melamine polyphosphate; 멜라민 폴리포스페이트); PER(Pentaerythriol; 펜타에리트리톨) 및 MOSw (magnesium oxysulfate whisker; 마그네슘 옥시설페이트 위스커)을 포함하여 형성된다. 열가소성 고분자는 폴리케톤(polyketone)을 포함한다.
한편, 외부 구조물의 경우 상기 폴리케톤의 함량은 70 내지 90 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 16 내지 20wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 1.5 내지 2.5wt%인 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 상기 폴리케톤의 함량은 80 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 18 wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 2 wt%인 것이 바람직하다. 이러한 함량으로 제어되었을 때 최적의 난연성 및 준불연 성능을 나타내었으며, 또한 3D 프린팅을 통해 제조가 가능하였다.
단열재로 이용시 본 발명에 따라 제조된 복합 구조체가 복수개가 n x m 개(n, m 은 1이상의 정수)로 배치되어 제조되어 이용된다. 도 2에서 3 x 3개로 배치된 단열재의 모습을 확인할 수 있으며 이는 일 예시에 해당한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 제조 방법은, 열가소성 고분자; MPP(Melamine polyphosphate; 멜라민 폴리포스페이트); PER(Pentaerythriol; 펜타에리트리톨) 및 MOSw (magnesium oxysulfate whisker; 마그네슘 옥시설페이트 위스커)을 포함한 외부 구조물을 설계하여 형성하는 단계; 및 고충격 폴리스티렌(HIPS)을 구조화하여 마이크로스케일(microscale), 메소스케일(mesoscale) 및 매크로스케일(macroscale)의 다차원 공극을 형성하는 내부 구조물을 설계하여 형성하는 단계를 포함한다. 이에 의해 도 1에서 도시된 것처럼, 고충격 폴리스티렌(HIPS)을 포함하여 형성되는 내부 구조물; 및 상기 내부 구조물의 적어도 하면 또는 상면에 배치되어 상기 내부 구조물을 적어도 부분적으로 감싸는 외부 구조물을 포함한 복합 구조체가 만들어질 수 있다.
외부 구조물을 설계하여 형성하는 단계는 열가소성 고분자; MPP(Melamine polyphosphate; 멜라민 폴리포스페이트); PER(Pentaerythriol; 펜타에리트리톨) 및 MOSw (magnesium oxysulfate whisker; 마그네슘 옥시설페이트 위스커)의 함량을 제어하여 설계한다. 상기 열가소성 고분자는 폴리케톤(polyketone)을 포함한다.
외부 구조물을 설계하여 형성하는 단계에서 상기 폴리케톤의 함량은 70 내지 90 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 16 내지 20wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 1.5 내지 2.5wt% 로 설계되고, 더욱 바람직하게 상기 폴리케톤의 함량은 80 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 18 wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 2 wt%으로 설계된다. 이러한 함량으로 제어되었을 때 최적의 난연성 및 준불연 성능을 나타내었으며, 또한 3D 프린팅을 통해 제조가 가능하다.
도 3은 고충격 폴리스티렌(HIPS)을 구조화하여 마이크로스케일, 메소스케일 및 매크로스케일의 다차원 공극을 형성하는 내부 구조물을 형성하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 3에서 도시된 것처럼, 고충격 폴리스티렌(HIPS)을 구조화하여 마이크로스케일, 메소스케일 및 매크로스케일의 다차원 공극을 형성하는 내부 구조물을 설계하여 형성하는 단계는, HIPS 소재를 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식 3D 프린터를 이용하여 마이크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계(S 310); 내부 채움 패턴(Infill pattern)과 내부 채움 밀도(infill density) 설계로 메소스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계(S 320); 및 구조 해석을 통해 매크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계(S 330)를 포함한다.
S 310 단계에서는 HIPS 소재를 FDM 방식 3D 프린터를 이용하여 마이크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하며, 이 경우 노즐 온도를 210 내지 230℃, 프린팅 속도를 60 내지 80 mm/s, 및 베드 온도를 110 내지 130℃로 최적화하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 노즐 온도를 220℃, 프린팅 속도를 70 mm/s, 및 베드 온도를 120℃로 최적화하는 것이 바람직하다. 이러한 조건에서 마이크로스케일 공극 생성으로도 단열 성능이 향상됨을 확인하였으며, 이는 후술하는 실시예에서 추가 설명하도록 하겠다.
S 320 단계에서는 내부 채움 패턴(Infill pattern)과 내부 채움 밀도(infill density) 설계로 메소스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하며, 구체적으로 내부 채움 패턴에 따라 닫힌 셀(closed cell)이 되는 내부 채움 밀도의 임계점 이상으로 내부 채움 공정을 수행하도록 최적화한다. 내부 채움 패턴은 8가지가 존재하며, 각각의 내부 채움 패턴 별로 닫힌 셀(closed cell)이 되는 내부 채움 밀도의 임계점을 찾고, 찾은 임계점을 기준으로 해당 임계점 이상으로 내부 채움 공정을 수행함으로써 최소의 열전도율을 달성할 수 있다.
S 330 단계에서는 구조 해석을 통해 매크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화한다.
도 4는 구조 해석을 통해 매크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 4에서 도시된 것처럼, 구조 해석을 통해 매크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계는, 유한 요소 해석(finite element analysis)을 통해 메크로스케일 공극의 형태를 직육면체 형상의 큐빅 형태로 결정하는 단계(S 410); 상기 큐빅 형태를 최적화하기 위해 부피 및 치수를 설계 변수로 설정하고 직사각형 형태로 정해진 두께로 닫힌 셀 시편을 제작하여 열전달 해석을 진행하는 단계(S 420); 상기 열전달 해석을 통해 직육면체의 너비 및 길이를 동일하게 하고 높이가 작을수록 단열 성능이 향상됨을 확인하는 단계(S 430); 및 부피별로 최적의 너비, 길이 및 높이를 적용한 RVE(Representative volume element) 모델을 선정하는 단계(S 440)를 포함한다.
S 410 단계에서는 유한 요소 해석(finite element analysis)을 통해 메크로스케일 공극의 형태를 직육면체 형상의 큐빅 형태로 결정한다.
S 420 단계에서는 큐빅 형태를 최적화하기 위해 부피 및 치수를 설계 변수로 설정하고 직사각형 형태로 정해진 두께로 닫힌 셀 시편을 제작하여 열전달 해석을 진행한다. 이 경우 형상은 직사각형 형태의 큐빅 형태로 그리고 두께는 이미 정해진 최소 두께로 제한 조건으로 적용되고, 큐빅 형태에 있어서 부피와 치수가 각각 설계 변수로 설정되어 열전달 해석이 진행된다.
S 430 단계에서는 상기 열전달 해석을 통해 직육면체의 너비 및 길이를 동일하게 하고 높이가 작을수록 단열 성능이 향상됨을 확인한다.
S 440 단계에서는 부피별로 최적의 너비, 길이 및 높이를 적용한 RVE(Representative volume element) 모델을 선정한다. 이를 통해 최종적으로 각 부피별로 최적의 너비, 길이 및 높이를 적용한 RVE 모델이 선정되고 이를 기초로 매크로스케일 공극을 생성하는 공정 최적화가 이루어지는 것이다.
[실시예 1]
1. PK/MPP/PER/MOSw 복합소재의 제조 및 공정조건을 최적화하여 외부 구조물을 개발하는 단계
펠렛 타입의 열가소성 고분자(폴리케톤, Polyketone) 및 IFR(Intumescent flame retardants) 시스템을 이루는 MPP(Melamine polyphosphate), PER(Pentaerythriol) 분말, 그리고 친환경 난연제 MOS whisker(밀도 2.3g/cm3,직경 0.46(±0.11)um, 길이 25.5(±6.8)um)의 수분을 제거하기 위해 80℃ 진공 오븐에서 8시간 건조시킨다.
아래 표 1의 제조예1 내지 제조예4와 같이 MPP 및 PER 분말 0 내지 28 wt%, MOS whisker 0 내지 2 wt%를 열가소성 고분자 수지 70 내지 100 wt%에 균일하게 분산 후 2축 압출기로 열가소성 고분자 수지의 용융온도 이상에서 혼련한다. 이 때 압출된 복합소재를 펠레타이저에 삽입하여 균일한 MPP 및 PER 분말과 MOS whisker이 충진된 열가소성 수지 복합소재 마스터 배치를 얻는다.
제조예1 제조예2 제조예3 제조예4
열가소성 고분자 수지(wt%) 100 90 80 70
MPP, PER, 분말(wt%) - 8 18 28
MOS whisker(wt%) - 2 2 2
발명된 소재의 내열성 및 기계적 물성 확인을 위해 제조예1 내지 제조예4를 핫프레스를 사용하여 210℃, 2ton 하중 하에서 가로 100mm, 세로 100mm, 두께 3mm 형상의 시편을 제작하여, 난연 시험을 수행하였고, 사출기를 사용하여 220℃에서 인장 시편을 제작하여 기계적 물성 평가를 수행하였다.
복합소재의 난연 특성을 시험하기 위하여 복사열 50kW/m2 조건에서의 콘칼로리미터 시험(Cone Calorimeter Test, CCT) 결과, 도 5와 같이, 필러 함량 20wt% 이상부터 최대 열방출률(Peak heat release rate, PHRR) 10초 이상, 200kW/m2을 초과하지 않는다는 준불연 기준을 달성하였다. 콘칼로리미터 시험 후 연소된 시편의 형상을 살펴보면, 순수 폴리케톤은 차르 표면을 형성하지 못하고 용융현상이 발생한 반면, 난연 필러 함량이 높아질수록 차르 표면의 물성이 강화되는 결과를 확인하였다. 차르 표면에 구멍이나 균열이 존재하면 가연성 증기나 산소가 투과하며 화재를 더 크게 전파시킨다. 이에 제조예3에서 최적의 난연성 및 준불연 성능을 확보하였다.
준불연성능 시험의 또 다른 항목인 가스유해성 시험 결과, 시험용 흰 쥐 평균 행동 정지 시간 1회 09분 08초, 2회 09분 05초로, 준불연 달성기준 9분 이상의 수치를 확보하였다.
해당 복합소재의 기계적 특성 및 3D 프린팅 가능성 확인을 위하여 만능 재료 시험(Universal testing machine, UTM) 분석을 진행한 결과, 범용 3D 프린팅 소재인 PLA 소재 기준 신율 3~4% 이상인 7.10%의 수치를 확보하여, 3D 프린팅 가능성이 있다고 판단하였다.
이에 흡음 및 난연 특성을 구현하기 위한 제조예 3의 복합소재를 기반으로 도 6과 같이, 3D 프린팅용 필라멘트를 제작하였고, 제조된 복합소재 필라멘트의 출력 가능 여부를 판단하기 위해 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식 3D 프린터를 이용하여 함량 최적화 된 제조예 3에 대해 필라멘트가 3D 프린터 노즐 입구를 끊김 없이 통과하는지 확인을 통해 출력 가능성을 확인하였다. 제조예 3의 경우 3D 프린팅이 잘 이루어졌지만, 제조예 4의 경우 3D 프린팅이 정상적으로 이루어지지 않았다. 이를 참고할 때, 제조예 4의 함량에서 난연성은 좋지만, 3D 프린팅이 진행이 어려우므로, 결국 외부 구조물을 설계하여 형성하는 단계에서 상기 폴리케톤의 함량은 70 내지 90 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 16 내지 20wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 1.5 내지 2.5wt% 로 설계되고, 더욱 바람직하게 상기 폴리케톤의 함량은 80 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 18 wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 2 wt%으로 설계된다.
2. HIPS 소재의 FDM 3D 프린팅 기술의 공정조건 최적화를 통해 Microscale 공극을 생성하는 단계
도 7은 멀티스케일(Multiscale) 다공성 구조설계 개념도를 도시한다.
공정조건 최적화 중 노즐온도를 과도하게 높일 시, 도 9와 같이 노즐에서 소재의 누출 및 드롭렛(Droplet)이 발생하며, 이는 프린팅 결과물을 악화시킨다.
다양한 공정조건에 따른 출력 결과물의 데이터베이스를 구축하는 단계이므로, 공정조건인 베드온도, 프린팅속도, 노즐온도를 조절하며 200 여개의 공정조건으로 시편을 제작하여 Archimedes 방식으로 측정한 밀도 데이터를 수집한다.
도 8과 같이 FDM 3D 프린터의 베드온도(80~130℃), 프린팅속도(10~80 mm/s) 및 노즐온도(230~290℃)에 따른 적층제조된 시편의 밀도를 측정하여 시편 내부의 공극율을 높이면서 동시에 닫힌 셀(Closed cell) 형태가 되는 공정조건을 탐색하였음.
상기 과정을 통해 공정조건에 의해 발생하는 마이크로스케일 공극을 생성하는 최적의 공정조건을 도출하였다. 최적의 공정 조건은, 노즐 온도를 210 내지 230℃, 프린팅 속도를 60 내지 80 mm/s, 및 베드 온도를 110 내지 130℃로 최적화하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 노즐 온도를 220℃, 프린팅 속도를 70 mm/s, 및 베드 온도를 120℃로 최적화하는 것이 바람직하다. 해당 조건에서 HIPS 소재의 밀도(1.04 g/cc) 대비 0.9833 g/cc의 밀도(공극률: 5.45%)를 달성하였으며, 마이크로스케일 공극 생성으로 단열성능이 향상됨을 확인하였다.
3. 내부 채움 패턴(Infill pattern)과 내부 채움 밀도(infill density) 설계로 메소스케일 공극을 생성하는 단계
STL 도면을 슬라이싱하는 소프트웨어 상의 내부 채움 패턴과 그 밀도에 따라 시편의 공극율이 달라지며, 열린 셀(Open cell) 혹은 닫힌 셀이 제작된다. 해당 과정에서는 메소스케일 공극율을 높이기 위해 시편이 닫힌 셀이 되는 적합한 내부 채움 패턴과 최소 내부 채움 밀도를 파악한다.
도 10과 같이 8가지 내부 채움 패턴이 있으며, 내부 채움 밀도는 0~100 % 값으로 조절할 수 있으며, 도 12와 같이 내부 채움 패턴과 그 밀도에 따라 생성되는 공극을 관찰할 수 있다.
도 11은 각각의 내부 채움 패턴 적용 시 닫힌 셀이 되는 최소의 내부 채움 밀도를 보여주는 결과이며, 도 13을 통해 각 내부 채움 패턴에 대응하는 내부 채움 밀도의 값을 가시적으로 파악할 수 있다.
그 결과, Tetraheral 패턴의 경우 내부 채움 밀도 83%, Concentric의 경우 88%, Concentric-3D의 경우 91%, Grid의 경우 91%, Triangle의 경우 100%, Cubic의 경우 83%, Line.의 경우 88%, Cubic-3D의 경우 81%일 때가 닫힌 셀이 되는 임계점이다.
또한, 각각의 내부 채움 패턴별로 Heat flux의 흐름이 상이하므로 12x12x3 mm3 시편을 제작하여 DSC (Differential scanning calorimeter) 열확산도 시험을 진행하여 도 14와 같은 결과를 추출했으며, Cubic 패턴의 83% 내부 채움 밀도를 적용할 시, 0.167 W/m·K의 최소 열전도율을 도출되었다.
4. 구조 해석 기반 매크로스케일 공극을 설계 및 생성하는 단계
해당 단계에서 매크로스케일 공극 생성을 위한 구조설계를 진행하며 열전달 해석을 통해 단열성능을 극대화하는 RVE (Representative volume element) 모델을 선정 및 제작한다.
매크로스케일 공극 생성에 앞서 위의 2 및 3 단계에서 설계한 공정조건으로 0.4 mm의 노즐 직경을 활용하여 도 15와 도 16과 같이 다양한 두께로 3D 프린팅하여 닫힌 셀 단열 시편을 제작할 수 있는 최소 두께가 0.3 mm임을 확인하였다.
또한, 2 및 3 단계에서 공정조건과 내부 채움 패턴, 내부 채움 밀도를 적용하여 열전도도를 측정하기 위한 매크로스케일 공극으로 여러 가지 대표 단위 모델(RVE model)을 구형, 도 17과 같이 Cuboid형(큐빅형) 등으로 설계하여 양끝단 경계조건(Boundary condition)으로 각각 0 ℃와 50 ℃를 적용하여 형상 및 치수에 따른 단열성능을 평가하기 위한 유한요소해석(Finite element analysis)을 진행한다.
유한요소해석 결과, 도 18과 같이 공극률이 증가할수록 등가 열전도율(ETC, Equivalent thermal conductivity)가 감소한다. 또한, 구형 공극(약 0.15 W/m·K) 대비 Cuboid 형상의 공극(약 0.07 W/m·K)을 적용할 때, 최소 열전도도가 약 200% 향상된다.
상기 과정에서 도출한 직육면체 형상 최적화를 위해 직육면체의 부피(27, 36, 48, 64 mm3)와 직육면체 치수(너비, 길이, 높이)를 설계변수(Design variable)로 설정하고 프린팅 가능한 형상 및 두께(0.3 mm) 제한조건으로 설정하여 열전달 해석(Heat transfer analysis)을 진행한다.
열전달 해석 결과를 도 19와 같이 등가 열전도도를 계산하여 너비, 길이, 높이를 변수로 하는 3차원 상에 그래프로 표시한다. 같은 직육면체 부피 하에서 너비/길이가 크고, 높이가 작을수록 열전도도가 감소하며, 이는 열을 가하는 방향과 동일한 방향의 높이는 작고, 열유속(Heat flux)이 흐르는 방향과 직각인 너비/길이가 클수록, 공기가 열을 방해하는 정도가 커지면서 열전도도를 감소시켜 단열성능을 향상시킨다.
또한, 24, 36, 48, 64 mm3 부피별 최적의 너비/길이/높이를 적용한 RVE 모델을 반복 배치하여 300x300x13 mm3의 시편을 제작할 시의 출력시간을 분석하여 27 mm3 부피의 RVE 모델의 최적 너비/길이/높이를 적용할 시 36시간의 시간이 소요되며, 너비와 길이를 동일하게 설정했을 때, 출력시간이 16시간으로 단축되었다.
최종 선정된 RVE 모델은 하기와 같으며, 도 20은 유한요소해석과 실제 실험 결과를 비교한 것이다.
1) 27 mm3 부피를 지닌 Macroscale RVE 모델의 최종 너비/길이: 3.67 mm, 높이: 2 mm
2) 64 mm3 부피를 지닌 Macroscale RVE 모델의 최종 너비/길이: 5.66 mm, 높이: 2 mm
3) 27 mm3 부피를 지닌 Multiscale RVE 모델의 최종 너비/길이: 7.3/6.86 mm, 높이: 5.4 mm
상기 과정을 거쳐 선정한 RVE 모델을 적용하여 도 21과 같이 단열 시편을 제작하여 평판열류계법으로 단열성능을 측정했을 때, 27 mm3 RVE 모델을 적용한 300x300x13 mm3 시편의 열전도도가 도 22와 같이 0.053 W/m·K로 측정되어 현재 건축현장에서 사용되는 단열재의 열전도도(0.047~0.051 W/m·K)와 유사한 단열재를 제작할 수 있음을 파악했다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 FDM(Fused deposition modeling) 3D 프린팅 기술로 난연 및 단열 특성을 동시에 극대화하는 단열재를 설계 및 제작하는데 이용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 고충격 폴리스티렌(high impact polystyrene; HIPS)을 포함하여 형성되는 내부 구조물; 및
    상기 내부 구조물의 적어도 하면 또는 상면에 배치되어 상기 내부 구조물을 적어도 부분적으로 감싸는 외부 구조물을 포함하고,
    상기 내부 구조물은 마이크로스케일(microscale), 메소스케일(mesoscale) 및 매크로스케일(macroscale)의 다차원 공극을 포함하고 있으며,
    상기 외부 구조물은 열가소성 고분자; MPP(Melamine polyphosphate; 멜라민 폴리포스페이트); PER(Pentaerythriol; 펜타에리트리톨) 및 MOSw (magnesium oxysulfate whisker; 마그네슘 옥시설페이트 위스커)을 포함하여 형성되는,
    3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자는 폴리케톤(polyketone)인,
    3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 폴리케톤의 함량은 70 내지 90 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 16 내지 20wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 1.5 내지 2.5wt%인,
    3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 폴리케톤의 함량은 80 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 18 wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 2 wt%인,
    3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체.
  5. 제 1 항에 따른 3D 프린팅으로 제조된 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체가 n x m 개(n, m 은 1이상의 정수)로 배치된 단열재.
  6. 고충격 폴리스티렌(HIPS)을 구조화하여 마이크로스케일(microscale), 메소스케일(mesoscale) 및 매크로스케일(macroscale)의 다차원 공극이 형성된 내부 구조물을 형성하는 단계; 및
    열가소성 고분자; MPP(Melamine polyphosphate; 멜라민 폴리포스페이트); PER(Pentaerythriol; 펜타에리트리톨) 및 MOSw (magnesium oxysulfate whisker; 마그네슘 옥시설페이트 위스커)을 포함하는 외부 구조물을 상기 내부 구조물의 적어도 하면 또는 상면에 형성하는 단계를 포함하는,
    3D 프린팅을 이용한 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자는 폴리케톤(polyketone)인,
    3D 프린팅을 이용한 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 폴리케톤의 함량은 70 내지 90 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 16 내지 20wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 1.5 내지 2.5wt% 인,
    3D 프린팅을 이용한 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 폴리케톤의 함량은 80 wt%이고, 상기 MPP 및 PER의 함량은 18 wt%이며, 상기 MOSw의 함량은 2 wt%인,
    3D 프린팅을 이용한 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 내부 구조물을 형성하는 단계는,
    HIPS 소재를 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식 3D 프린터를 이용하여 마이크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계;
    내부 채움 패턴(Infill pattern)과 내부 채움 밀도(infill density) 설계로 메소스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계; 및
    구조 해석을 통해 매크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계를 포함하는,
    3D 프린팅을 이용한 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 HIPS 소재를 FDM 방식 3D 프린터를 이용하여 마이크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계는,
    노즐 온도를 210 내지 230℃, 프린팅 속도를 60 내지 80 mm/s, 및 베드 온도를 110 내지 130℃로 최적화하는,
    3D 프린팅을 이용한 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 HIPS 소재를 FDM 방식 3D 프린터를 이용하여 마이크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계는,
    노즐 온도를 220℃, 프린팅 속도를 70 mm/s, 및 베드 온도를 120℃로 최적화하는,
    3D 프린팅을 이용한 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 내부 채움 패턴과 내부 채움 밀도 설계로 메소스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계는,
    내부 채움 패턴에 따라 닫힌 셀(closed cell)이 되는 내부 채움 밀도의 임계점 이상으로 내부 채움 공정을 수행하도록 최적화하는,
    3D 프린팅을 이용한 난연 및 단열 특성을 갖는 복합 구조체의 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 구조 해석을 통해 매크로스케일 공극을 생성하는 공정을 최적화하는 단계는,
    유한 요소 해석(finite element analysis)을 통해 메크로스케일 공극의 형태를 직육면체 형상의 큐빅 형태로 결정하는 단계;
    상기 큐빅 형태를 최적화하기 위해 부피 및 치수를 설계 변수로 설정하고 직사각형 형태로 정해진 두께로 닫힌 셀 시편을 제작하여 열전달 해석을 진행하는 단계;
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