KR101886537B1 - Sls 방식 3d 프린터를 이용한 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품의 제조 방법 - Google Patents

Sls 방식 3d 프린터를 이용한 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 SLS(Selective Laser Sintering) 방식 3D 프린터를 용하여 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법은, 수지 파우더 및 글라스 버블을 혼합하여 혼합파우더 재료를 준비하는 단계; 3D 프린터에 상기 혼합파우더 재료를 롤러로 공급하는 단계; 및 제조 대상 제품의 3D 데이터에 따라 레이저를 조사하여 상기 혼합파우더 재료를 선택적으로 소결 시키는 단계를 포함하고, 상기 글라스 버블의 비중은 상기 수지 파우더의 비중의 0.8 내지 1.2 배인 것을 특징으로 한다.

Description

SLS 방식 3D 프린터를 이용한 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품의 제조 방법 {Three-dimensional product having uniform property manufacturing method using Selective Laser Sintering 3D printing}
본 발명은 SLS(Selective Laser Sintering) 방식 3D 프린터를 이용한 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품의 제조 방법에 관한 것이다.
3D 프린팅은 3차원 구조 제품을 성형하는 기술로 3차원 구조물을 신속하게 만들 뿐만 아니라 조립/해체가 불가능한 형상도 제작할 수 있는 장점이 있다. 이러한 3D 프린팅은 본격적인 연구가 시작된 지 오래되었고, 종래에는 3D 프린팅이 가능한 소재에 한계가 있고, 장비가 고가여서 항공 우주 관련 부품제작이나 자동차 등의 시제작품 제작 등 제한적인 분야에만 활용되는 등 널리 보급되지는 않았었으나, 최근 여러 가지 분야에 널리 사용이 시도되고 되어 그 활용 영역이 넓어지고 있다.
3D 프린팅 기술은 크게 분류하여, 고체형 재료를 사용하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식, 액체형 재료를 사용하는 SLA(Setero Lithography Apparatus) 방식, 파우더형 재료를 사용하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식으로 나눌 수 있다.
FDM 방식은 주로 플라스틱 재료를 활용하는데 필라멘트라고 불리는 얇은 플라스틱 실을 고온의 히터를 통과시키면서 녹인 다음, 아래에서 위로 층층이 쌓아가는 방식으로 SLA나 SLS 방식에 비해 프린터의 가격이 저렴하지만 재료가 플라스틱에 한정되며 출력물의 표면이 거칠다는 단점이 있다.
SLA 방식은 빛을 받으면 고체로 변하는 광경화성 수지(액체 플라스틱)이 들어있는 수조에 레이저 빔을 쏘아서 필요한 부분만 고체화시키는 방식으로 FDM 방식에 비해 출력물의 표면이 매끄럽지만 FDM 방식과 마찬가지로 소재가 광경화성 수지에 한정되며 출력물의 내구성이 떨어지는 단점이 있다.
SLS 방식은 레이저 빔을 이용한다는 측면에서 SLA 방식과 유사하지만 파우더형 재료(플라스틱 분말, 모래, 금속 등)를 이용하여 균일한 레이어를 형성한 후 레이저를 이용하여 선택적으로 소결 시켜 3차원 구조물을 제작하는 방식으로 다양한 소재를 활용할 수 있고, 소재의 재활용이 가능한 장점이 있다.
그러나, SLS 방식은 재료로써 수지 파우더를 사용하는 경우 종래 무기물 강화 플라스틱에 비하여 기계적 물성이 부족한 단점이 있다.
이를 해결하기 위해 파우더에 무기물(글라스 비드, 글라스 버블, 유리 단섬유 등)을 혼합하여 사용할 수 있으나, 파우더와 무기물의 비중 차이에 의한 무기물의 위치적 산포가 발생(비중이 높은 파우더가 아래로 쳐짐)하여 롤러를 이용하여 운반 후 제품 제작 시 최종 제품의 위치 별 물성 차이가 발생하는 문제점이 있었다.
이에 따라, SLS 방식 3D 프린팅 제품의 기계적 물성 향상을 위한 무기물의 사용 시 무기물의 분산과 프린트 중 분산 안정성의 개선이 필요한 실정이었다.
대한민국 특허공개 10-2015-0133328호
본 발명은 SLS 방식 3D 프린터를 이용한 위치 별 물성이 균등한 제품의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 SLS(Selective Laser Sintering) 방식 3D 프린터를 이용하여 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법은, 수지 파우더 및 글라스 버블을 혼합하여 혼합파우더 재료를 준비하는 단계; 3D 프린터에 상기 혼합파우더 재료를 롤러로 공급하는 단계; 및 제조 대상 제품의 3D 데이터에 따라 레이저를 조사하여 상기 혼합파우더 재료를 선택적으로 소결 시키는 단계를 포함하고, 상기 글라스 버블의 비중은 상기 수지 파우더의 비중의 0.8 내지 1.2 배인 것을 특징으로 한다.
상기에서, 글라스 버블의 비중은 외경과 내경의 비로 조절할 수 있고, 상기 글라스 버블의 비중은 상기 수지 파우더의 비중의 0.9 내지 1.1 배일 수 있다.
또한, 상기 글라스 버블은 외경이 상기 수지 파우더의 외경과 동일한 글라스 버블과, 외경이 상기 수지 파우더의 외경의 1/3 내지 1/2 인 글라스 버블을 혼합한 것일 수 있다.
그리고, 상기 수지 파우더는 나일론 6, 나일론 66, 폴리프로필렌, ABS, PLA, PC, 및 PMMA 로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있고, 상기 수지 파우더의 외경은 2 내지 200 ㎛ 일 수 있다.
본 발명에 따른 SLS(Selective Laser Sintering) 방식 3D 프린터를 이용하여 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법에 의해 제조된 제품은, 기계적 물성 향상을 위해 수지 파우더에 글라스 버블을 혼합 사용함에도 제품의 위치별 물성이 균등하다는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 제조방법으로 제조된 제품은 수지 파우더의 외경보다 작은 글라스 버블의 사용으로 수지 파우더의 공극이 최소화되어 레이저 조사 후 빈 공간 생성이 최소화 된다.
도 1은, 글라스 버블의 외경(D1)과 내경(D2)을 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은, 수지 파우더 및 글라스 버블을 혼합하여 혼합파우더 재료를 준비하는 단계; 3D 프린터에 상기 혼합파우더 재료를 롤러로 공급하는 단계; 및 제조 대상 제품의 3D 데이터에 따라 레이저를 조사하여 상기 혼합파우더 재료를 선택적으로 소결 시키는 단계를 포함하고, 상기 글라스 버블의 비중은 상기 수지 파우더의 비중의 0.8 내지 1.2 배인 것을 특징으로 하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식 3D 프린터를 이용하여 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법을 제공한다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 SLS방식 3D 프린터를 이용하여 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
종래 SLS 3D 프린터에서 무기물을 함께 사용할 경우, 파우더와 무기물의 비중 차이에 의한 무기물의 위치적 산포가 발생하여 롤러를 이용하여 운반 후 제품 제작 시 최종 제품의 위치 별 물성 차이가 발생하는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 글라스 버블의 외경과 내경의 비를 조절하여 비중을 베이스 파우더와 균등하게 조절하는 경우, 제품의 위치 별 물성을 균등하게 할 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다.
본 발명의 일 측면에 따른 SLS(Selective Laser Sintering) 방식 3D 프린터를 이용하여 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법은, 수지 파우더 및 글라스 버블을 혼합하여 혼합파우더 재료를 준비하는 단계; 3D 프린터에 상기 혼합파우더 재료를 롤러로 공급하는 단계; 및 제조 대상 제품의 3D 데이터에 따라 레이저를 조사하여 상기 혼합파우더 재료를 선택적으로 소결 시키는 단계를 포함하고, 상기 글라스 버블의 비중은 상기 수지 파우더의 비중의 0.8 내지 1.2 배인 것을 특징으로 한다.
상기에서, 글라스 버블의 비중은 외경과 내경의 비를 조절하여 제어할 수 있다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 글라스 버블의 외경은 글라스 버블의 전체 직경을 의미하고, 내경은 글라스로 둘러싸인 내부 빈 공간의 직경을 의미한다. 글라스 버블의 외경 대비 내경이 작아질수록 글라스 두께는 증가하고, 비중이 증가하게 된다. 한편, 내경이 커질수록 두께는 감소하고, 비중이 감소하게 된다.
상기 글라스 버블의 비중은 상기 수지 파우더의 비중의 0.8 내지 1.2 배인 것이 바람직하고, 0.9 내지 1.1 배 인 것이 더욱 바람직하다.
이는, 글라스 버블의 비중이 수지 비중의 0.8 미만인 경우 글라스 버블의 외측 두께가 얇아 혼련, 성형 이송 중 깨지거나 제품의 충격강도가 저하될 수 있고, 글라스 버블의 비중이 수지 비중의 1.2배를 초과하는 경우 3D 프린팅을 위한 이송 준비 과정에서 분산이 저하되어 출력물의 기계적 물성이 부위별로 달라질 수 있고 외관 표면의 편차가 발생할 수 있기 때문이다.
한편, 상기에서 사용되는 글라스 버블은 외경이 다른 것들을 혼합 사용할 수 있다.
구체적으로, 외경이 상기 수지 파우더의 외경과 동일한 글라스 버블과, 외경이 상기 수지 파우더의 외경의 1/3 내지 1/2 인 글라스 버블을 혼합한 것일 수 있다. 상기 수지 파우더의 외경의 1/3 내지 1/2 인 글라스 버블의 사용으로 수지 파우더의 공극이 최소화되어 레이저 조사 후 빈 공간 생성이 최소화 될 수 있으며, 외경이 상기 수지 파우더의 외경과 동일한 글라스 버블은 제품의 충격 강도 향상에 기여하게 된다.
그리고, 상기 수지 파우더의 종류는 특별히 제한되지는 아니하나, 나일론 6, 나일론 66, 폴리프로필렌, ABS, PLA, PC, 및 PMMA 로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 수지 파우더의 외경은 2 내지 200 ㎛ 일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 25 내지 55 ㎛ 일 수 있다. 수지 파우더의 외경이 2 ㎛ 미만일 경우 파우더 분쇄에 비용과 시간이 많이 들고 성형 및 준비 과정 중 정전기에 의해 취급이 어려우며, 수지 파우더의 외경이 200 ㎛ 초과일 경우 용융을 위한 레이저 조사시간 및 출력이 증가되며 출력물의 표면품질이 저하되기 때문이다.
또한, 수지 파우더는 수지와 계면 접착강도 향상을 위해 표면에 상용화제, 커플링제를 선택적으로 사용할 수 있다. 상기 상용화제는 변성 무수 말레인산 중에서 선택적으로 사용할 수 있으며 커플링제는 실란계 커플링제를 선택적으로 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 제조방법에서 카본 블랙, CNT, Glass Fiber 등의 보조 보강재를 추가적으로 파우더화 후, 혼합하여 사용할 수 있다. 이 경우, 기존 소재 대비 우수한 기계적 물성 구현이 가능할 수 있다. 보조 보강재의 함량은 0.5 내지 5 중량부, 바람직하게는 1 내지 3 중량부를 사용할 수 있다. 보조 보강재 함량이 너무 낮으면 보강 효과가 발현되지 않고, 보강재 함량이 너무 높으면 보조 보강재와 수지 파우더와의 비중 차이로 인해 분산의 유지가 어렵다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.
실시예 1 내지 12
하기 표 1에 나타낸 외경과 내경을 가지는 글라스 버블을 수지 파우더에 혼합한 혼합파우더를 재료로 하여 SLS 방식 3D 프린터를 사용하여 부품을 제조하였다.
수지 파우더로 실시예 1 내지 8은 나일론 (PA6), 실시예 9 및 10은 나일론 (PA66), 실시예 11은 폴리프로필렌 (PP), 실시예 12는 ABS, 실시예 13은 PC, 실시예 14는 PMMA, 실시예 15는 PLA를 사용하였다.
비교예 1 내지 7
하기 표 1에 나타낸 외경과 내경을 가지는 글라스 버블을 수지 파우더에 혼합한 혼합파우더를 재료로 하여 SLS 방식 3D 프린터를 사용하여 부품을 제조하였다.
비교예 1 내지 5는 수지 파우더로 나일론 (PA6)을 사용하였고, 비교예 6 및 7은 나일론 (PA66)을 사용하였다.
시험예
상기 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 입체 형상 부품의 조도, 상하단부의 비중, 및 상하단부의 인장강도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
부품 조도는 KS 규격의 표면 거칠기에 대한 거칠기 번호로 표기하였다(N1~N4, N5~N7, N8~N9, N10~N11, N12의 5등분으로 구분, 숫자가 높을수록 거칠기가 심함).
[표 1]
Figure 112016128803733-pat00001
상기와 같이 비교예들의 경우 글라스 버블의 외경 대비 내경이 작아질수록 두께가 증가되고 글라스 버블의 비중 증가로 인한 3D 프린팅 부품의 하단부 물성이 약화되며, 반대의 경우 글라스 버블이 수지 위쪽에 분포되는 현상이 발생하여 3D 프린팅 부품의 상단부 물성이 약화됨을 알 수 있었다.
반면, 상기 표 1에서 나타나듯이, 글라스 버블의 비중이 수지 파우더의 비중의 0.8 내지 1.2배인 실시예들의 경우, 부품 조도가 비교예들에 비해 낮고, 부품의 상단부와 하단부의 비중이 비교예들에 비해 균일하며, 부품의 상단부와 하단부의 인장강도가 비교예들에 비해 균일하다는 것을 알 수 있었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. SLS(Selective Laser Sintering) 방식 3D 프린터를 이용하여 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법에 있어서,
    수지 파우더 및 글라스 버블을 혼합하여 혼합파우더 재료를 준비하는 단계;
    3D 프린터에 상기 혼합파우더 재료를 롤러로 공급하는 단계; 및
    제조 대상 제품의 3D 데이터에 따라 레이저를 조사하여 상기 혼합파우더 재료를 선택적으로 소결 시키는 단계를 포함하고,
    상기 글라스 버블의 비중은 상기 수지 파우더의 비중의 0.8 내지 1.2 배인 것을 특징으로 하고,
    상기 글라스 버블은, 상기 수지 파우더의 외경 길이와 동일한 외경 길이를 가지는 제1 글라스 버블 및 상기 수지 파우더의 외경 길이의 1/3 내지 1/2 인 외경 길이를 가지는 제2 글라스 버블을 포함하고,
    상기 제1 글라스 버블의 내경 길이는, 외경 길이의 0.8 배 초과 및 0.9 배 미만인 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 글라스 버블의 비중은 외경과 내경의 비로 조절하는 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 글라스 버블의 비중은 상기 수지 파우더의 비중의 0.9 내지 1.1 배인 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수지 파우더는 나일론 6, 나일론 66, 폴리프로필렌, ABS, PLA, PC, 및 PMMA 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수지 파우더의 외경은 2 내지 200 ㎛ 인 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품을 제조하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 물성이 균등한 3차원 입체 형상 제품.
  7. 삭제
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