KR101905710B1 - Basalt fiber-filled thermoplastic filament for 3D printing and fiber reinforced composite prepared by using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 FDM 방식 3D 프린터용 조성물, 이를 포함하는 고분자 필라멘트, 이를 포함하는 성형물 및 고분자 필라멘트의 제조방법에 대한 것이다. The present invention relates to a composition for an FDM type 3D printer, a polymer filament comprising the same, a molded article containing the same, and a method for producing a polymer filament.
보다 구체적으로, 본 발명은 친환경적이면서도 강도 및 내구성이 우수한 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트를 제조할 수 있는 조성물 및 이를 포함하는 고분자 필라멘트, 이를 포함하는 성형물 및 고분자 필라멘트의 제조방법에 대한 것이다.More particularly, the present invention relates to a composition capable of producing a polymer filament for an FDM type 3D printer which is eco-friendly, excellent in strength and durability, a polymer filament comprising the polymer filament, a molded article containing the same, and a method for producing the polymer filament.
최근 3차원 물체를 성형 가능한 3D 프린터가 다양한 산업분야에 활용되면서 그 기술 수용성이 높아지고 있다.Recently, 3D printers capable of forming 3D objects have been utilized in various industrial fields, and the acceptability of the technology has been increasing.
3D 프린팅은 컴퓨터의 3D 설계 도면을 3D 프린터로 전송하여 제품을 성형하는 방식으로, 이러한 3D 프린터의 제품성형 방식에는 수지 등의 원료를 용융한 뒤 노즐을 통해 압출하여 경화된 얇은 막을 쌓아가는 방식(Fused Deposition Modeling; FDM방식), 원료를 레이저로 가열하여 소결하는 방식(Selective Laser Sintering; SLS방식), 또는 광경화성 액체수지가 담긴 수조에 레이저를 투사하여 경화시키는 방식(Stereo Lithography Apparatus; SLA방식)등이 있다. 3D printing is a method of forming a product by transferring a 3D design drawing of a computer to a 3D printer. In the product molding method of such a 3D printer, a method of melting a raw material such as a resin and extruding it through a nozzle to stack a cured thin film Fused Deposition Modeling (FDM), Selective Laser Sintering (SLS), or a Stereo Lithography Apparatus (SLA) method in which a laser is projected onto a water tank containing a photo- .
이러한 방법 중에서 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식(FDM방식)의 3D 프린터가 대형화에 유리하고 다양한 산업분야에 적용이 가능하여 가정용, 공업용으로 점차 대중화 되고 있는 추세이다. 필라멘트 소재로는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)와 PLA(Poly Lactic Acid)등의 플라스틱 소재가 많이 사용되고 있으며, 특히 PLA 수지는 출력이 쉽고 친환경적인 특성을 가지고 있어 ABS보다 선호되고 있으나, 강도와 내구성이 약하고 전도성이 낮아 전기/전자 부품, 바이오 등과 같은 다양한 분야에 적용하기 어려운 단점이 있다. Among these methods, a 3D printer (FDM type) in which filaments are melted and laminated is advantageous to a large size and can be applied to various industrial fields, and is gradually becoming popular for home and industrial use. Plastic materials such as ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) and PLA (Poly Lactic Acid) are widely used as filament materials. Especially, PLA resin is preferable to ABS because of its easy output and environment-friendly characteristics. However, its strength and durability are weak It has a disadvantage that it is difficult to apply to various fields such as electric / electronic parts, bio, etc. because of low conductivity.
최근에는 이러한 단점을 보완하고 출력물의 품질을 높이기 위하여 마이크로섬유나 나노필러 등을 첨가하여 고분자 수지의 강도를 높이는 연구가 높은 관심을 받고 있다. In recent years, research to increase the strength of polymer resin by adding microfiber or nanofiller has been attracting much attention in order to overcome such shortcomings and to improve the quality of output.
그러나, 현재까지 연구에 사용되고 있는 섬유 보강재는 대부분 탄소섬유 또는 유리섬유로, 이러한 섬유는 가격이 비싸고 섬유 생산 시 에너지 소비가 크며, 일부 발암작용 가능물질로 분류되어 친환경적이지 못하다.However, most of the fiber reinforcing materials currently used in the research are carbon fiber or glass fiber, and these fibers are expensive, have high energy consumption in fiber production, and are not environmentally friendly because they are classified as some carcinogenic materials.
따라서, 친환경적이면서 우수한 강도를 가지는 3D 프린터용 복합재료에 대한 제조 개발 필요성이 대두되고 있다.Therefore, there is a growing need for manufacturing and developing a composite material for a 3D printer which is environmentally friendly and has excellent strength.
(특허문헌 1) WO2015-064954 A1 (Patent Document 1) WO2015-064954 A1
본 발명은 친환경적이면서 강도 및 내구성이 우수한 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트를 형성하는데 이용되는 조성물을 제공한다. The present invention provides a composition for forming a polymer filament for an FDM type 3D printer that is environmentally friendly and has excellent strength and durability.
본 발명은 또한, 상기 조성물에 의해 형성되고, 압출 가공시 발생할 수 있는 다이 스웰링 현상을 억제하여 균일한 직경을 가지며, 강도 및 내구성이 우수한 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트를 제공한다. The present invention also provides a polymer filament for an FDM type 3D printer, which is formed by the above composition and has a uniform diameter by suppressing a die swelling phenomenon that may occur during extrusion processing, and which has excellent strength and durability.
본 발명은 더욱이, 상기 고분자 필라멘트를 포함하는 FDM 방식 3D 프린터 성형물을 제공하며, 구체적으로 적층구조 상의 공극이 적어 안정성이 뛰어나고, 현무암 섬유의 우수한 종횡비로 인해 섬유 배향도가 우수한 FDM 방식 3D 프린터 성형물을 제공한다.The present invention further provides an FDM type 3D printer molded article including the polymer filament, specifically, an FDM type 3D printer molded article excellent in stability with a small number of pores in a laminated structure and superior in fiber orientation due to excellent aspect ratio of the basalt fiber do.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 안출 된 것으로써, FDM 방식 3D 프린터용 조성물에 대한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a composition for an FDM-type 3D printer, which has been devised to solve the above problems.
상기 FDM 방식 3D 프린터용 조성물은 현무암 섬유 1 내지 27 중량부 및 열가소성 고분자 수지를 포함한다. The composition for the FDM 3D printer includes 1 to 27 parts by weight of basalt fiber and a thermoplastic polymer resin.
하나의 예시에서, 상기 열 가소성 고분자 수지는 폴리락틱엑시드(polylactic acid), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 (acrylonitrile butadiene styrene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 염화폴리비닐(polyvinyl chloride), 염화 폴리비닐 염화물(Chlorinated polyvinyl chloride), 스티렌아크릴로니트릴(styrene acrylonitrile), 아크릴 스티렌 아크릴로니트릴 트리폴리머(acrylonitrile styrene acrylate), 폴리술폰(polysulfone), 폴리우레탄 (polyurethane), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide), 아세탈 수지(polyacetal), , 폴리아라미드(polyaramid), 폴리이미드(polyimide), 폴리에스터(polyester), 폴리에스터 엘라스토머(polyester elastomer), 아크릴산 에스터(esther acrylate), 에틸렌 코폴리머(ethylene copolymer), 스티렌(styrene)-부타디엔 공중합체(styrene-butadiene copolymer) 및 비닐아세테이트(vinyl acetate)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In one example, the thermoplastic polymer resin may be at least one selected from the group consisting of polylactic acid, acrylonitrile butadiene styrene, polypropylene, polyethylene, polystyrene, polyamide, polycarbonate, polyvinyl chloride, chlorinated polyvinyl chloride, styrene acrylonitrile, acrylonitrile styrene acrylate, acrylonitrile styrene acrylate, But are not limited to, polysulfone, polyurethane, polyphenylene sulfide, acetal resin, polyaramid, polyimide, polyester, polyester elastomer polyester elastomer, esther acrylate, ethylene copolymer, styrene-butadiene, It may be any one selected from the group consisting of a polymer (styrene-butadiene copolymer) and vinyl acetate (vinyl acetate).
하나의 예시에서, 상기 현무암 섬유는 이산화규소 43 내지 53 중량부, 산화 알루미늄 12 내지 16 중량부, 산화철 6 내지 18 중량부, 알칼리 토금속 10 내지 20 중량부 및 알칼리 금속 2 내지 8 중량부를 포함할 수 있다.In one example, the basalt fiber may comprise 43 to 53 parts by weight of silicon dioxide, 12 to 16 parts by weight of aluminum oxide, 6 to 18 parts by weight of iron oxide, 10 to 20 parts by weight of an alkaline earth metal and 2 to 8 parts by weight of an alkali metal have.
하나의 예시에서, 상기 현무암 섬유는 직경이 5 ㎛ 내지 30 ㎛의 범위 내에 있고, 길이가 5 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다.In one example, the basalt fiber has a diameter in the range of 5 占 퐉 to 30 占 퐉 and a length in the range of 5 占 퐉 to 500 占 퐉.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 조성물은 첨가제를 1 내지 10 중량부 더 포함하고, 상기 첨가제는 안료제, 염료제, 착색제, 가소제, 산화방지제, 내열 안정제, 자외선안정제, 난연제, 활제, 대전방지제, 발포제, 충격보강제, 충진제, 가교제, 무적제, 핵제, 블로킹방지제 및 슬립제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.In one example, the composition according to the present invention further comprises 1 to 10 parts by weight of an additive, wherein the additive is selected from pigments, dyes, colorants, plasticizers, antioxidants, heat stabilizers, ultraviolet stabilizers, flame retardants, , A foaming agent, an impact modifier, a filler, a crosslinking agent, an immiscible agent, a nucleating agent, an antiblocking agent, and a slip agent.
본 발명은 또한, 상기 조성물을 포함하는, FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트에 대한 것이다. The present invention also relates to a polymer filament for an FDM type 3D printer, which comprises the above composition.
하나의 예시에서, 상기 고분자 필라멘트는 직경이 0.1 mm 내지 3.0 mm의 범위 내에 있을 수 있다.In one example, the polymer filaments may be in the range of 0.1 mm to 3.0 mm in diameter.
본 발명은 또한, 상기 고분자 필라멘트를 포함하는, FDM 방식 3D 프린터 성형물에 대한 것이다.The present invention also relates to a FDM type 3D printer molding including the polymer filament.
하나의 예시에서, 상기 FDM 방식 3D 프린터 성형물은 섬유 배향도가 0.7 이상일 수 있다. In one example, the FDM 3D printer moldings may have a fiber orientation degree of 0.7 or more.
본 발명은 더욱이, 상기 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트의 제조방법에 대한 것이다. 상기 제조방법은 현무암 섬유 3 내지 27 중량부와 열가소성 고분자 수지 72 내지 96 중량부를 혼합하여 FDM 방식 3D 프린터용 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 조성물을 용융 압출하여 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트를 제조하는 단계를 포함하는, FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트의 제조방법에 대한 것이다.The present invention further relates to a method for producing a polymer filament for an FDM type 3D printer. The method comprises preparing 3 to 27 parts by weight of a basalt fiber and 72 to 96 parts by weight of a thermoplastic polymer resin to prepare a composition for an FDM type 3D printer; And a process for producing a polymer filament for an FDM type 3D printer by melt-extruding the composition.
본 발명의 조성물을 이용하는 경우, 친환경적이면서 강도 및 내구성이 우수한 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트를 제조할 수 있다.When the composition of the present invention is used, a polymer filament for an FDM type 3D printer which is environmentally friendly and excellent in strength and durability can be produced.
본 발명에 따른 상기 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트는, 압출 가공시 발생할 수 있는 다이 스웰링 현상을 억제하여 균일한 직경을 가지며, 강도 및 내구성이 우수할 수 있다.The polymer filament for the FDM type 3D printer according to the present invention can suppress a die swelling phenomenon that may occur during extrusion processing, and can have a uniform diameter, and can be excellent in strength and durability.
본 발명에 따른 상기 고분자 필라멘트를 포함하는 FDM 방식 3D 프린터 성형물은 적층구조 상의 공극이 적어 안정성이 뛰어나고, 현무암 섬유의 우수한 종횡비로 인해 섬유 배향도가 우수할 수 있다.The FDM type 3D printer molded article including the polymer filament according to the present invention has a small number of voids in the laminated structure and is excellent in stability and can be excellent in fiber orientation due to the excellent aspect ratio of the basalt fiber.
물론, 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은, 본 발명의 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 따른 고분자 필라멘트의 성형 전 및 적층 구조물로 성형한 후에 측정한 인장 강도의 변화를 도시한 것이다.
도 2는, 본 발명의 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 따른 고분자 필라멘트를 이용한 FDM 방식 3D 프린터 적층 구조물의 내부 구조 및 형상을 X-ray를 투과하여 비파괴 방식으로 확인한 결과를 도시한 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시예 2, 실시예 4 및 비교예 1에 따른 고분자 필라멘트를 이용한 FDM 방식 3D 프린터 적층 구조물의 공극 함량 변화를 X-ray를 투과하여 비파괴 방식으로 확인한 결과를 도시한 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 shows changes in tensile strength measured before molding of a polymer filament according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention and after molding into a laminated structure. Fig.
2 shows the internal structure and the shape of the FDM type 3D printer laminate structure using the polymer filaments according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention through X-ray and non-destructive examination.
Fig. 3 shows the results of confirming the change of the void content of the FDM type 3D printer laminate structure using the polymer filaments according to Example 2, Example 4, and Comparative Example 1 of the present invention through X-ray and non-destructive method .
이하, 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 명세서에서, 단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.In this specification, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.
본 발명에서 사용되는 용어의 정의는 다음과 같다.The definitions of the terms used in the present invention are as follows.
용어「FDM 방식」이란, 고분자 필라멘트를 노즐 안에서 녹여 얇은 필름 형태로 출력하여 한층 한층 적층하면서 3D 프린팅을 수행하는 방식을 의미하여, 이를 수행하는 기기를 FDM 방식 3D 프린터라고 한다.The term " FDM system " means a system in which polymer filaments are melted in a nozzle and output in a thin film form to further perform 3D printing while stacking one another.
용어「중량부」란, 달리 설명하지 않는 한, 각 성분 간의 중량 비율을 의미한다.The term " weight part " means a weight ratio between the respective components, unless otherwise specified.
용어「현무암 섬유」란, 약 43 내지 53 중량%의 이산화 규소 함량을 가지며, 알칼리의 함량이 약 8중량% 이하인 화산암을, 소정 온도에서 용융 방사하여 만든 천연 무기 섬유를 의미한다.The term " basalt fiber " means a natural inorganic fiber produced by melt spinning a volcanic rock having a silicon dioxide content of about 43 to 53 wt% and an alkali content of about 8 wt% or less at a predetermined temperature.
용어 「첨가제」란, FDM 방식 3D 프린터용 조성물 내 물성이나, 안정성 또는 산화 등의 방지를 위해 첨가되는 물질을 의미하는 것이다.The term " additive " means a substance added to prevent the physical properties, stability, or oxidation and the like in the composition for an FDM type 3D printer.
본 발명은 FDM 방식 3D 프린터용 조성물, 이를 포함하는 고분자 필라멘트, 이를 포함하는 성형물 및 고분자 필라멘트의 제조방법에 대한 것이다. The present invention relates to a composition for an FDM type 3D printer, a polymer filament comprising the same, a molded article containing the same, and a method for producing a polymer filament.
본 발명에 따른 조성물은, 소정 함량의 현무암 섬유를 포함함으로써, 열가소성 고분자 수지의 약한 내구성과 강도를 보완할 수 있으며, 또한 친환경적이다.The composition according to the present invention can supplement the weak durability and strength of the thermoplastic polymer resin by containing the predetermined amount of basalt fiber, and is environmentally friendly.
본 발명에 따른 조성물은 전술한 효과를 가지는 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트를 제조하는데 이용될 수 있다. 또한, 상기 고분자 필라멘트를 이용하여 FDM 방식 3D 프린팅을 수행하는 경우, 공극율이 낮고, 섬유 배향도가 우수한 성형물이 제조될 수 있다.The composition according to the present invention can be used for producing a polymer filament for an FDM type 3D printer having the above-mentioned effects. In addition, when FDM 3D printing is performed using the polymer filament, a molded product having a low porosity and excellent fiber orientation can be produced.
본 발명에 따른 조성물은, FDM 방식 3D 프린터용이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 조성물은 FDM 방식 3D 프린터의 고분자 필라멘트를 제조하기 위한 용도로 이용될 수 있다.The composition according to the present invention is for an FDM type 3D printer. Specifically, the composition according to the present invention can be used for producing a polymer filament of an FDM type 3D printer.
본 발명에 따른 FDM 방식 3D 프린터용 조성물은, 현무암 섬유 3 내지 27 중량부 및 열가소성 고분자 수지 72 내지 96 중량부를 포함한다.The composition for an FDM type 3D printer according to the present invention comprises 3 to 27 parts by weight of a basalt fiber and 72 to 96 parts by weight of a thermoplastic polymer resin.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 조성물은 현무암 섬유를 3 내지 27 중량부 포함함으로써, 단순히 열가소성 고분자 수지만을 포함하는 조성물로 제조된 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트 대비 우수한 내구성 및 강도와 기타 구조 안정성 등의 이점을 가질 수 있다.As described above, the composition according to the present invention comprises 3 to 27 parts by weight of the basalt fiber, so that it has excellent durability and strength compared with polymer filaments for FDM type 3D printers made of a composition containing merely a thermoplastic polymer resin and other structural stability And the like.
상기 열가소성 고분자 수지는, 일반적인 FDM 방식 3D 프린터에 이용되는 수지가 이용될 수 있다.As the thermoplastic polymer resin, a resin used in a general FDM type 3D printer can be used.
하나의 예시에서, 상기 열가소성 고분자 수지는, 폴리락틱엑시드(polylactic acid), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (acrylonitrile butadiene styrene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 염화폴리비닐(polyvinyl chloride), 염화 폴리비닐 염화물(Chlorinated polyvinyl chloride), 스티렌아크릴로니트릴(styreneacrylonitrile), 아크릴 스티렌 아크릴로니트릴 트리폴리머(acrylonitrile styrene acrylate), 폴리술폰(polysulfone), 폴리우레탄 (polyurethane), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide), 아세탈 수지(polyacetal), , 폴리아라미드(polyaramid), 폴리이미드(polyimide), 폴리에스터(polyester), 폴리에스터 엘라스토머(polyester elastomer), 아크릴산 에스터(esther acrylate), 에틸렌 코폴리머(ethylene copolymer), 스티렌(styrene)-부타디엔 공중합체(styrene-butadiene copolymer) 및 비닐아세테이트(vinyl acetate)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In one example, the thermoplastic polymer resin may be selected from the group consisting of polylactic acid, acrylonitrile butadiene styrene, polypropylene, polyethylene, polystyrene, polyamide ), Polycarbonate, polyvinyl chloride, chlorinated polyvinyl chloride, styreneacrylonitrile, acryl styrene acrylonitrile styrene acrylate, polysulfone polyurethane, polysulfone, polyurethane, polyphenylene sulfide, polyacetal, polyaramid, polyimide, polyester, polyester elastomer, , Ester acrylate, ethylene copolymer, styrene-butadiene It may be any one selected from the group consisting of a polymer (styrene-butadiene copolymer) and vinyl acetate (vinyl acetate).
상기 열가소성 고분자 수지는, 조성물 내 72 내지 96 중량부의 비율로 포함된다.The thermoplastic polymer resin is contained in a proportion of 72 to 96 parts by weight in the composition.
다른 예시에서, 상기 열 가소성 고분자 수지는 조성물 내 73 내지 93 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 열 가소성 고분자 수지의 함량은 함께 첨가되는 현무암 섬유의 함량에 따라 변경될 수 있다. 따라서, 상기 범위 내에서 현무암 섬유의 함량을 고려하여 적정 범위로 조성물 내에 포함될 수 있다.In another example, the thermoplastic polymer resin may be contained in a proportion of 73 to 93 parts by weight in the composition. The content of the thermoplastic polymer resin may vary depending on the content of the basalt fiber added together. Therefore, it can be included in the composition in an appropriate range in consideration of the content of the basalt fiber within the above range.
본 발명에 따른 FDM 방식 3D 프린터용 조성물은, 현무암 섬유 3 내지 27 중량부를 포함한다. The composition for an FDM type 3D printer according to the present invention comprises 3 to 27 parts by weight of a basalt fiber.
상기 현무암 섬유는, 예를 들면 이산화규소 43 내지 53 중량부, 산화 알루미늄 12 내지 16 중량부, 산화철 6 내지 18 중량부, 알칼리 토금속 10 내지 20 중량부 및 알칼리 2 내지 8 중량부를 포함하는 화산암을 소정 온도에서 용융 방사하여 형성된 것 일 수 있다.The basalt fiber is made of volcanic rock containing, for example, 43 to 53 parts by weight of silicon dioxide, 12 to 16 parts by weight of aluminum oxide, 6 to 18 parts by weight of iron oxide, 10 to 20 parts by weight of an alkaline earth metal and 2 to 8 parts by weight of alkali Or may be formed by melt spinning at a temperature.
구체적으로, 상기 현무암 섬유는, 이산화규소 43 내지 53 중량부, 산화 알루미늄 12 내지 16 중량부, 산화철 6 내지 18 중량부, 알칼리 토금속 10 내지 20 중량부 및 알칼리 2 내지 8 중량부를 포함하는 화산암을 1,000 내지 2,000의 온도 조건에서 용융 방사하여 형성된 천연 무기 섬유 일 수 있다.Specifically, the basalt fiber is composed of 43 to 53 parts by weight of silicon dioxide, 12 to 16 parts by weight of aluminum oxide, 6 to 18 parts by weight of iron oxide, 10 to 20 parts by weight of an alkaline earth metal and 2 to 8 parts by weight of alkaline earth metal Lt; RTI ID = 0.0 > 2,000 < / RTI >
따라서, 상기 현무암 섬유는, 이산화규소 43 내지 53 중량부, 산화 알루미늄 12 내지 16 중량부, 산화철 6 내지 18 중량부, 알칼리 토금속 10 내지 20 중량부 및 알칼리 2 내지 8 중량부를 포함할 수 있다.Thus, the basalt fiber may comprise 43 to 53 parts by weight of silicon dioxide, 12 to 16 parts by weight of aluminum oxide, 6 to 18 parts by weight of iron oxide, 10 to 20 parts by weight of alkaline earth metal and 2 to 8 parts by weight of alkali.
상기 현무암 섬유는 조성물 내 소정 비율로 포함된다. 현무암 섬유가 지나치게 적게 포함될 경우, 강도 및 내구성의 개선효과나, 공극률의 감소 및 섬유 배향도의 향상 효과가 미미하며, 현무암 섬유가 지나치게 많이 포함될 경우, 고분자 필라멘트가 3D 프린터기의 노즐을 막는 등의 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서, 조성물 내 현무암 섬유는 3 내지 27 중량부의 비율로 포함한다.The basalt fiber is contained in the composition in a predetermined ratio. If the amount of the basalt fiber is too small, the effect of improving the strength and durability, the decrease of the porosity and the improvement of the fiber orientation are insignificant. If the basalt fiber is included too much, the polymer filament may block the nozzle of the 3D printer. . Thus, the basalt fibers in the composition comprise from 3 to 27 parts by weight.
다른 예시에서, 현무암 섬유는 조성물 내 5 내지 26 중량부 또는 10 내지 25 중량부의 비율로 포함된다.In another example, the basalt fiber is included in the composition in a proportion of from 5 to 26 parts by weight or from 10 to 25 parts by weight.
상기 현무암 섬유는 소정의 직경 및 길이를 가질 수 있다.The basalt fiber may have a predetermined diameter and length.
하나의 예시에서, 현무암 섬유는 직경이 5 ㎛ 내지 30 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 상기 현무암 섬유는 길이가 5 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다.In one example, the basalt fibers may range in diameter from 5 [mu] m to 30 [mu] m. In addition, the basalt fiber may have a length in the range of 5 탆 to 500 탆.
본 발명에 따른 FDM 방식 3D 프린터용 조성물은 첨가제를 더 포함할 수 있다. The composition for an FDM type 3D printer according to the present invention may further include an additive.
상기 첨가제는, 예를 들면 안료제, 염료제, 착색제, 가소제, 산화방지제, 내열 안정제, 자외선안정제, 난연제, 활제, 대전방지제, 발포제, 충격보강제, 충진제, 가교제, 무적제, 핵제, 블로킹방지제 및 슬립제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상 일 수 있다.The additive may be at least one selected from the group consisting of pigments, dyes, colorants, plasticizers, antioxidants, heat stabilizers, ultraviolet stabilizers, flame retardants, lubricants, antistatic agents, foaming agents, impact modifiers, fillers, crosslinking agents, ≪ RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >
보다 구체적인 예시에서, 상기 첨가제는 내열 안정제, 활제, 산화 방지제 및 안료를 포함할 수 있다. In a more specific example, the additive may include a heat stabilizer, a lubricant, an antioxidant, and a pigment.
상기 첨가제는, 1 내지 10 중량부의 비율로 조성물에 포함될 수 있다. 다른 예시에서, 상기 첨가제는 2 내지 9 중량부 또는 3 내지 8 중량부의 비율로 조성물 내에 포함될 수 있다. 상기 함량 범위 내에서, 첨가제는 전술한 종류의 것 중 적어도 1종이 선택되어 조성물 내에 포함될 수 있다.The additive may be included in the composition in a proportion of 1 to 10 parts by weight. In another example, the additive may be included in the composition in a ratio of 2 to 9 parts by weight or 3 to 8 parts by weight. Within this content range, at least one of the above-mentioned types of additives may be selected and included in the composition.
보다 구체적인 예시에서, 내열 안정제 0.3 내지 0.5 중량부, 활제 0.2 내지 0.4 중량부, 산화 방지제 0.3 내지 0.5 중량부 및 안료제 1 내지 3 중량부가 첨가제로서 조성물 내에 포함될 수 있다. In a more specific example, 0.3 to 0.5 parts by weight of a heat stabilizer, 0.2 to 0.4 parts by weight of a lubricant, 0.3 to 0.5 parts by weight of an antioxidant and 1 to 3 parts by weight of a pigment may be contained in the composition as an additive.
본 발명은 또한, 상기 조성물을 포함하는 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트에 대한 것이다. 상기 조성물은, 현무암 섬유 3 내지 27 중량부 및 열가소성 고분자 수지 72 내지 96 중량부를 포함한다. The present invention also relates to a polymer filament for an FDM type 3D printer comprising the above composition. The composition comprises 3 to 27 parts by weight of a basalt fiber and 72 to 96 parts by weight of a thermoplastic polymer resin.
구체적으로, 본 발명의 상기 고분자 필라멘트는, 예를 들면 상기 조성물을 용융 압출하여 형성된 것일 수 있다. Specifically, the polymer filament of the present invention may be formed, for example, by melt-extruding the composition.
본 발명에 따른 고분자 필라멘트는 현무암 섬유를 포함하고 있기 때문에 우수한 내구성 및 강도를 가지고, 친환경적이다.The polymer filament according to the present invention has excellent durability and strength because it contains basalt fiber, and is environmentally friendly.
또한, 본 발명의 조성물은 열적 특성이 우수한 현무암 섬유를 포함하고 있기 때문에, 상기 고분자 필라멘트를 제조함에 있어, 압출 가공 시 발생할 수 있는 다이 스웰링 현상이 억제될 수 있다. 따라서, 상기 고분자 필라멘트는 균일한 직경을 가질 수 있다.In addition, since the composition of the present invention includes basalt fiber having excellent thermal properties, the phenomenon of die swelling that may occur during extrusion processing can be suppressed in manufacturing the polymer filament. Therefore, the polymer filament may have a uniform diameter.
본 발명에 따른 고분자 필라멘트는, 소정 직경을 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 고분자 필라멘트는 직경이 0.1 mm 내지 3.0mm의 범위 내에 있을 수 있다. 고분자 필라멘트의 직경이 지나치게 작거나 큰 경우, FDM 방식 3D 프린터의 노즐을 통한 성형물의 형성에 바람직하지 않을 수 있다.The polymer filament according to the present invention may have a predetermined diameter. In one example, the polymer filaments may be in the range of 0.1 mm to 3.0 mm in diameter. If the diameter of the polymer filament is too small or large, it may be undesirable for forming a molding through a nozzle of an FDM type 3D printer.
본 발명은 또한, 상기 고분자 필라멘트를 포함하는 FDM 방식 3D 프린터 성형물이다. 상기 FDM 방식 3D 프린터 성형물은, 공극률이 낮고, 섬유 배향도가 우수하다.The present invention is also an FDM type 3D printer molded article comprising the polymer filament. The FDM 3D printer molded product has a low porosity and an excellent fiber orientation.
상기 FDM 방식 3D 프린터 성형물은, 예를 들면 적층 구조물 일 수 있다. 상기 적층 구조물은, 예를 들면 소정 축 방향으로 정렬되어 있는 층과 상기 소정 축 방향과 다른 축 방향으로 정렬되어 있는 층이 적층되어 있는 구조일 수 있다.The FDM 3D printer molding may be, for example, a laminated structure. The laminated structure may be, for example, a structure in which a layer aligned in a predetermined axial direction and a layer aligned in an axial direction different from the predetermined axial direction are laminated.
하나의 예시에서, 상기 적층 구조물은, 제 1 축 방향으로 정렬되어 있는 제 1층 및 상기 제 1축의 방향과 상이한 방향인 제 2 축 방향으로 정렬되어 있는 제 2 층을 포함하는 구조 일 수 있다. 상기 제 1 축과 제 2 축은 소정 각도, 예를 들면 45 내지 120의 범위 내 어느 한 각도를 이룰 수 있다. In one example, the lamination structure may be a structure including a first layer aligned in a first axis direction and a second layer aligned in a second axis direction that is different from a direction of the first axis. The first axis and the second axis may be at an angle, for example, in a range of 45 to 120 degrees.
본 발명의 고분자 필라멘트는 현무암 섬유를 포함하고 있기 때문에, 이러한 고분자 필라멘트를 포함하는 FDM 방식 3D 프린트 성형물은 현무암 섬유를 포함하고 있지 않은 고분자 필라멘트보다 공극률이 낮고, 섬유 배향도가 우수하다. 따라서, 본 발명의 FDM 방식 3D 프린트 성형물은 구조적 안정성이 뛰어나며, 목적하는 방향으로의 고배향성을 가질 수 있다.Since the polymer filament of the present invention includes basalt fiber, the FDM type 3D print molding including such a polymer filament has lower porosity and excellent fiber orientation than a polymer filament that does not contain basalt fiber. Therefore, the FDM type 3D print molding of the present invention is excellent in structural stability and can have high orientation in a desired direction.
상기 FDM 방식 3D 프린트 성형물은, 상기 고분자 필라멘트를 FDM 방식 3D 프린터기의 실린더 내에서 용융하여 노즐을 통해 고속으로 압출시킴으로써 형성될 수 있다. The FDM type 3D print molding can be formed by melting the polymer filament in a cylinder of an FDM type 3D printer and extruding the polymer filament at a high speed through a nozzle.
본 발명의 상기 FDM 방식 3D 프린트 성형물은, 우수한 섬유 배향도를 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 FDM 방식 3D 프린트 성형물은 0.7 이상의 섬유 배향도를 가질 수 있다. 상기 섬유 배향도는 예를 들면 x-ray를 이용한 내부 구조 및 형상 측정방식이나, 섬유의 elliptical footprint 측정방식에 의해 측정될 수 있다. The FDM 3D printed molding of the present invention can have an excellent degree of fiber orientation. In one example, the FDM 3D printed molding may have a fiber orientation degree of 0.7 or greater. The fiber orientation degree can be measured by, for example, an internal structure and shape measurement method using x-ray or an elliptical footprint measurement method of fibers.
본 발명명의 상기 FDM 방식 3D 프린트 성형물은, 낮은 공극률을 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 FDM 방식 3D 프린트 성형물은 공극률이 30% 이하, 29% 이하, 28% 이하, 27% 이하, 26% 이하 또는 25% 이하 일 수 있다. 이와 같은 낮은 공극률로 인하여, 성형물의 구조 안정성 및 내구성이나 강도 등이 우수하다. 상기 공극률은, 예를 들면 x-ray를 이용한 내부 구조 및 형상 측정방식이나, 비중측정 방식에 의해 측정될 수 있다. The FDM 3D printed molding of the present invention may have a low porosity. In one example, the FDM 3D printed molding may have a porosity of 30% or less, 29% or less, 28% or less, 27% or less, 26% or 25% or less. Because of such low porosity, the structural stability, durability and strength of the molded product are excellent. The porosity can be measured by, for example, an internal structure and shape measuring method using x-ray or a specific gravity measuring method.
본 발명은 또한, FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트의 제조방법에 대한 것이다. 상기 제조방법에 의하면, 내구성 및 강도가 우수하고, 친환경적인 고분자 필라멘트가 제조될 수 있고, 이를 이용하는 경우 공극률이 낮고, 섬유 배향도가 우수한 성형물이 제조될 수 있다.The present invention also relates to a method for producing a polymer filament for an FDM type 3D printer. According to the above production method, a polymer filament having excellent durability and strength and being environmentally friendly can be produced, and when it is used, a molded product having a low porosity and excellent fiber orientation can be produced.
상기 제조방법은, 현무암 섬유 3 내지 27 중량부와 열가소성 고분자 수지 72 내지 96 중량부를 혼합하여 FDM 방식 3D 프린터용 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 조성물을 용융 압출하여 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트를 제조하는 단계를 포함한다.The method comprises: preparing a composition for an FDM 3D printer by mixing 3 to 27 parts by weight of basalt fiber and 72 to 96 parts by weight of a thermoplastic polymer resin; And melt-extruding the composition to prepare a polymer filament for an FDM type 3D printer.
상기 FDM 방식 3D 프린터용 조성물을 제조하는 단계는, 예를 들면 현무암 섬유와 열가소성 고분자를 적정 함량으로 혼합하고, 첨가제를 첨가하여 밀폐식 혼합기에서 균일 교반하여 마스터 배치를 형성하는 것을 포함할 수 있다. The step of preparing the composition for the FDM type 3D printer may include, for example, mixing the basalt fiber and the thermoplastic polymer in an appropriate amount, adding the additives, and uniformly stirring the mixture in an airtight mixer to form a master batch.
하나의 예시에서, 상기 FDM 방식 3D 프린터용 조성물을 제조하는 단계는, 현무암 섬유 3 내지 27 중량부와 열가소성 고분자 수지 72 내지 96 중량부를 혼합한 후, 첨가제를 1 내지 10 중량부 첨가하여 밀폐식 혼합기에서 균이 교반하여 마스터 배치를 형성하는 것을 포함할 수 있다. In one example, the step of preparing the composition for the FDM type 3D printer comprises mixing 3 to 27 parts by weight of the basalt fiber and 72 to 96 parts by weight of the thermoplastic polymer resin, adding 1 to 10 parts by weight of the additive, To form a master batch.
상기에서 현무암 섬유, 열가소성 고분자 수지 및 첨가제의 종류는 전술한 바와 같다.The types of the basalt fiber, the thermoplastic polymer resin and the additives are as described above.
상기와 같은 공정을 거치는 경우, FDM 방식 3D 프린터용 조성물이 제조될 수 있다.When the above process is performed, a composition for an FDM type 3D printer can be produced.
본 발명에 따른 상기 제조방법은 또한, 상기 조성물을 용융 압출하여 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트를 제조하는 단계를 포함한다.The manufacturing method according to the present invention further includes a step of melt-extruding the composition to produce a polymer filament for an FDM type 3D printer.
상기 용융 압출하는 단계는, 예를 들면 상기 마스터 배치 형태의 조성물을 호퍼를 통해 압출기로 공급하고 이를 용융 교반 및 혼련 한 후, 소정의 압출 조건 하에서 압출 하는 것을 포함할 수 있다.The step of melt-extruding may include, for example, feeding the composition in the form of masterbatch to an extruder through a hopper, melt-mixing and kneading the mixture, and extruding under a predetermined extrusion condition.
상기 용융 압출 단계 후, 냉각 및 와인딩 단계를 거치는 경우, 소정 직경의 고분자 필라멘트가 제조된다.After passing through the cooling and winding steps after the melt extrusion step, a polymer filament of a predetermined diameter is produced.
상기와 같은 고분자 필라멘트의 제조방법에 따라 제조된 고분자 필라멘트는 내구성 및 강도가 우수하고, 친환경적이다 또한, 이를 FDM 방식 3D 프린터용 필라멘트로 이용하는 경우 공극률이 낮고, 섬유 배향도가 우수한 성형물이 제조될 수 있다.The polymer filament produced according to the method for producing a polymer filament as described above has excellent durability and strength and is environmentally friendly. When the filament is used as a filament for an FDM type 3D printer, a molded product having a low porosity and excellent fiber orientation can be produced .
이하, 본 발명에 따른 FDM 방식 3D 프린터용 조성물, 이를 이용하여 제조된 고분자 필라멘트 및 FDM 방식 3D 프린터 성형물에 대하여 실시예 및 비교예를 들어 보다 구체적으로 설명하나, 하기 예시는 본 발명에 따른 일 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 제한하지 아니함은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 사람에게 자명하다.Hereinafter, the composition for an FDM type 3D printer according to the present invention, the polymer filament manufactured using the same, and the FDM 3D printer molding will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the technical concept of the present invention.
제조예 1. 현무암 섬유 함유 조성물(A1)의 제조Production Example 1. Preparation of basalt fiber-containing composition (A1)
파우더 또는 펠렛 상의 열 가소성 고분자 수지(폴리락틱엑시드(polylactic acid)) 93 중량부와 직경이 5 ㎛ 내지 30 ㎛이고, 길이가 5 ㎛ 내지 500 ㎛인 현무암 섬유를 5 중량부를 혼합하고, 첨가제로서 내열 안정제 0.4 중량부, 활제 0.3 중량부, 산화 방지제 0.3 중량부 및 안료 1 중량부를 첨가한 후, 밀폐식 혼합기에서 균일 교반하여 현무암 섬유 함유 조성물(A1)의 마스터 배치를 제조하였다. 93 parts by weight of a thermoplastic polymer resin (polylactic acid) on a powder or pellet, 5 parts by weight of a basalt fiber having a diameter of 5 탆 to 30 탆 and a length of 5 탆 to 500 탆, 0.4 parts by weight of a stabilizer, 0.3 parts by weight of a lubricant, 0.3 parts by weight of an antioxidant and 1 part by weight of a pigment were added and uniformly stirred in a closed mixer to prepare a master batch of the basalt fiber-containing composition (A1).
제조예 2 내지 5. 현무암 섬유 함유 조성물(A2 내지 A5)의 제조Production Examples 2 to 5. Preparation of basalt fiber-containing compositions (A2 to A5)
하기 표 1과 같이 각 구성의 함량을 변경한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방식으로 현무암 섬유 함유 조성물(A2 내지 A5)를 제조하였다.Basalt fiber-containing compositions (A2 to A5) were prepared in the same manner as in Production Example 1, except that the content of each constituent was changed as shown in Table 1 below.
비교 제조예 1. 현무암 섬유를 함유하지 않는 조성물(B1)Comparative Preparation Example 1. Composition not containing basalt fiber (B1)
현무암 섬유를 함유하지 않고, 열가소성 고분자 수지의 함량을 98 중량부로 조절한 것을 제외하고는 제조예 1과 같은 방식으로 조성물(B1)의 마스터 배치를 제조하였다.A master batch of the composition (B1) was prepared in the same manner as in Preparation Example 1 except that the basalt fiber was not contained and the content of the thermoplastic polymer resin was adjusted to 98 parts by weight.
비교 compare 제조예Manufacturing example 2 내지 6. 현무암 섬유를 과량으로 함유하는 조성물(B2 내지 B6) 2 to 6. Compositions B2 to B6 containing an excess of basalt fiber,
현무암 섬유와 열가소성 고분자 수지를 하기 표 2와 같은 함량으로 조절한 것을 제외하고는 제조예 1과 같은 방식으로 조성물(B2 내지 B6)의 마스터 배치를 제조하였다.The master batches of the compositions (B2 to B6) were prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the basalt fiber and the thermoplastic polymer resin were adjusted to the contents shown in Table 2 below.
비교 제조예 7 내지 11. 유리 섬유를 함유하는 조성물 (B7 내지 B11)Comparative Production Examples 7 to 11. Compositions containing glass fibers (B7 to B11)
현무암 섬유 대신에 유리 섬유를 하기 표 3과 같은 함량으로 조절한 것을 제외하고는 제조예 1과 같은 방식으로 조성물(B7 내지 B11)의 마스터 배치를 제조하였다.A master batch of the compositions (B7 to B11) was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that glass fibers were used instead of the basalt fibers in the amounts shown in Table 3 below.
(중량부)glass fiber
(Parts by weight)
실시예 1. 고분자 필라멘트(C1)의 제조Example 1. Preparation of polymer filament (C1)
상기 제조예 1에 따른 조성물(A1)의 마스터 배치를 호퍼(hopper)를 통해 압출기로 공급하고, 이를 용융 교반 및 혼련 하였다. 이때 압출기 내 배럴의 온도는 상기 열가소성 수지가 용융 가능한 온도에서 수행 되었고, 스크류 속도는 조성물의 체류시간 및 토출량을 고려해 10RPM 내지 100RPM으로 셋팅하여 수행하였다. 실린더 내에서 용융 블렌딩되어 나오는 시료를 지름이 1.2mm인 다이를 통과시켜 직경이 1.2mm인 고분자 필라멘트를 제조하였다. 그 후, 상온에서 자연냉각하고 와인딩 시켜 FDM형 3D 프린팅용 고분자 필라멘트(C1)를 제조하였다.The master batch of the composition (A1) according to Production Example 1 was supplied to the extruder through a hopper and melt-mixed and kneaded. At this time, the temperature of the barrel in the extruder was performed at a temperature at which the thermoplastic resin could be melted, and the screw speed was set at 10 RPM to 100 RPM in consideration of the residence time and discharge amount of the composition. A sample which was melt-blended in a cylinder was passed through a die having a diameter of 1.2 mm to prepare a polymer filament having a diameter of 1.2 mm. Thereafter, the polymer filament (C1) for FDM type 3D printing was produced by naturally cooling and winding at room temperature.
실시예 2 내지 5. 고분자 필라멘트(C2 내지 C5)의 제조Examples 2 to 5. Preparation of polymer filaments (C2 to C5)
상기 제조예 2 내지 5에 따른 조성물의 마스터 배치를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방식으로 FDM형 3D 프린팅용 고분자 필라멘트(C2 내지 C5)를 제조하였다.Polymer filaments (C2 to C5) for FDM type 3D printing were prepared in the same manner as in Example 1, except that the master batches of the compositions according to Production Examples 2 to 5 were used.
비교예 1 내지 11. 고분자 필라멘트(D1 내지 D1)의 제조Comparative Examples 1 to 11. Preparation of polymer filaments (D1 to D1)
비교 제조예 1 내지 11에 따른 조성물의 마스터 배치를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방식으로 FDM형 3D 프린팅용 고분자 필라멘트(D1 내지 D11)를 제조하였다.Polymer filaments (D1 to D11) for FDM-type 3D printing were prepared in the same manner as in Example 1, except that the master batches of the compositions according to Comparative Production Examples 1 to 11 were used.
실험예 1. 고분자 필라멘트를 이용한 3D 프린터 적층 구조물의 제조Experimental Example 1. Fabrication of 3D Printer Laminated Structure Using Polymer Filaments
실시예 1 내지 5와 비교예 1 내지 11의 고분자 필라멘트를 용융적층(Fused Deposition Modeling, FDM)방식 3D 프린터를 이용하여, 표준 시험규격인 ASTM D638에 따라 시편 제조 하였다. The polymer filaments of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 11 were prepared by using a fused deposition modeling (FDM) type 3D printer according to the standard test standard ASTM D638.
구체적으로, FDM 방식 3D 프린터는 노즐사이즈 0.4mm, 단일적층두께 0.3mm, 출력온도 190, 출력속도 70mm/s, infill% 100% 조건으로 0, 90cross-ply 적층 패턴 출력을 수행 하였다.Specifically, the FDM type 3D printer performed a 0,90 cross-ply lamination pattern output with a nozzle size of 0.4 mm, a single layer thickness of 0.3 mm, an output temperature of 190, an output speed of 70 mm / s, and an infill of 100%
실험예 1.1 - 물성 평가Experimental example 1.1 - Property evaluation
상기 실험예 1에 따른 적층 구조물의 물성 평가를 수행 하였고, 그 결과를 각각 하기 표 4 내지 표 6에 나타내었다.The properties of the laminated structure according to Experimental Example 1 were evaluated, and the results are shown in Tables 4 to 6, respectively.
상기 표 4 및 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 현무암 섬유를 3 내지 27 중량부 함유하는 조성물을 이용하여 형성된 고분자 필라멘트(실시예 1 내지 5)의 경우, 단순히 열가소성 고분자 수지만을 함유하는 조성물로부터 형성된 고분자 필라멘트(비교예 1) 대비 최대 100%의 강도 증가를 보임을 확인할 수 있다.As shown in Tables 4 and 5, in the case of the polymer filaments (Examples 1 to 5) formed using the composition containing 3 to 27 parts by weight of the basalt fiber according to the present invention, only the thermoplastic polymer It can be confirmed that the polymer filament prepared from the composition shows a maximum increase of 100% in strength compared with the polymer filament (Comparative Example 1).
또한, 표 5에 도시된 바와 같이, 현무암 섬유의 함량이 30중량부 이상 첨가될 경우 (비교예 2 내지 6), 3D 프린팅 시 노즐막힘 현상으로 시편이 출력되지 않음을 알 수 있다.Also, as shown in Table 5, when 30 parts by weight or more of the basalt fiber is added (Comparative Examples 2 to 6), it can be seen that the sample is not output due to clogging of the nozzle during 3D printing.
한편, 표 4 및 6에 도시된 바와 같이, 유리 섬유 대비 현무암 섬유가 동일 함량에서 달성할 수 있는 공극의 감소율 및 밀도 증가폭이 우수하며, 이는 현무암 섬유가 유리 섬유보다 열 분해 온도가 높기 때문인 것으로 예상된다. On the other hand, as shown in Tables 4 and 6, the reduction rate and the density increase of the voids that can be achieved at the same amount of the basalt fiber relative to the glass fiber are excellent because the basalt fiber is higher in thermal decomposition temperature than the glass fiber do.
따라서, 유리 섬유 함유 고분자 필라멘트(비교예 7 내지 11)보다 본 발명에 따른 현무암 섬유 함유 고분자 필라멘트(실시예 1 내지 5)를 이용하는 것이 3D 프린터 성형물의 강도 증가에 따른 구조적 안정성 측면에서 더 우수함을 확인할 수 있다. Therefore, it was confirmed that the use of the basalt fiber-containing polymer filaments (Examples 1 to 5) according to the present invention was superior to the glass fiber-containing polymer filaments (Comparative Examples 7 to 11) in terms of structural stability .
실험예 1.2 - 고분자 필라멘트의 성형 전, 후 인장 강도 변화 확인Experimental Example 1.2 - Confirmation of changes in tensile strength before and after molding of polymer filaments
본 발명의 실시예 1 내지 4와 비교예 1에 따른 고분자 필라멘트의 기계적 강도와 상기 실험예 1에 따른 성형 후의 인장 강도 변화를 관찰하였고, 그 결과를 도 1에 도시하였다.The mechanical strength of the polymer filaments according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention and the change in tensile strength after molding according to Experimental Example 1 were observed and the results are shown in Fig.
도 1에 도시된 바와 같이, 성형 전 및 후에 모두 현무암 섬유를 적정 비율로 함유하고 있는 실시예 1 내지 4에 따른 고분자 필라멘트를 이용하는 것이 좀 더 우수한 기계적 물성을 달성할 수 있음을 확인할 수 있었다. As shown in Fig. 1, it was confirmed that the use of the polymer filaments according to Examples 1 to 4, which contained basalt fibers at an appropriate ratio before and after molding, could achieve more excellent mechanical properties.
실험예 1.3 - 적층 구조물의 내부 구조 및 형상 분석 Experimental Example 1.3 - Analysis of internal structure and shape of laminated structure
상기 실험예 1에 따른 적층 구조물 중 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 따른 고분자 필라멘트를 이용한 적층 구조물의 내부 구조 및 형상을 X-ray를 투과하여 비파괴 방식으로 확인하였고, 그 결과를 도 2에 도시하였다.The internal structure and the shape of the laminated structure using the polymer filaments according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 among the laminated structures according to Experimental Example 1 were confirmed by non-destructive method through X-ray transmission. Respectively.
또한, 상기 실험예 1에 따른 적층 구조물 중 실시예 2, 실시예 4 및 비교예 1에 따른 고분자 필라멘트를 이용한 적층 구조물의 공극 함량 변화를 X-ray를 투과하여 비파괴 방식으로 확인하여, 그 결과를 도 3에 도시하였다.Further, among the laminated structures according to Experimental Example 1, changes in the void content of the laminated structure using the polymer filaments according to Example 2, Example 4, and Comparative Example 1 were confirmed by the non-destructive method through X-ray transmission, 3 is shown.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 현무암 섬유의 함량이 증가할수록 적층 구조물 사이에 공극이 크게 감소함을 확인할 수 있다. 이는 현무암 섬유가 열가소성 고분자 수지보다 열전도도 특성이 우수하여 3D 프린터 노즐에서 압출 방사된 필라멘트가 일정시간 용융상태를 유지하여 수지 사이의 공극을 메우기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 3D 프린터 노즐을 통해 필라멘트가 용융 방사될 때, 필라멘트 내 수지가 현무암 섬유와 상호작용하여 수지가 늘어나거나 수축하는 다이 스웰링 현상이 억제되며, 이에 따라 필라멘트가 균일적층 되고 폴리머 사이의 공극이 감소된다. As shown in FIGS. 2 and 3, it can be seen that as the content of the basalt fiber is increased, the voids between the laminated structures are greatly reduced. This is because the basalt fiber has better thermal conductivity than the thermoplastic polymer resin, and the filament extruded from the 3D printer nozzle maintains the molten state for a certain time to fill the voids between the resins. Further, when the filament is melt-spun through the 3D printer nozzle, the resin in the filament interacts with the basalt fiber to suppress the die swelling phenomenon in which the resin is elongated or contracted, whereby the filaments are uniformly laminated, .
실험예Experimental Example 2. 현무암 섬유 함유 고분자 필라멘트의 FDM 방식 3D 프린팅에 따른 섬유 배향성 우수성 확인 2. Confirmation of superiority of fiber orientation by FDM 3D printing of basalt fiber-containing polymer filaments
본 발명의 실시예 1 내지 5에 따른 고분자 필라멘트가 3D 프린팅 공정을 통해 출력될 경우의 섬유 배향성 특성을 확인하기 위해, 기존에 주로 쓰이는 성형 공정인 몰드 프레스 방법과 3D 프린팅 공정을 통해 제조되는 성형물의 섬유 배향성을 확인하는 실험을 수행하였고, 그 결과를 표 7에 도시하였다.In order to confirm the fiber orientation properties when the polymer filaments according to Examples 1 to 5 of the present invention are outputted through the 3D printing process, it is preferable to use a mold press method, Experiments were conducted to confirm the fiber orientation, and the results are shown in Table 7.
구체적으로, 실시예 1 내지 5에 따른 고분자 필라멘트의 3D 프린팅 공정은 인장 시편의 외형 디자인을 모델링하고, 3D 프린터를 이용하여 노즐사이즈 0.4mm, 적층두께 1mm, 온도 190 조건으로 FDM 방식으로 적층 구조물의 출력을 수행 하였다. 한편, 몰드 프레스를 이용한 방법은 제조예 1 내지 5에 따른 마스터 배치의 분쇄된 시료를 금형몰드에 넣고, 190까지 가열하여 재료가 유동성을 갖게 한 후, 가열된 금형 위에서 프레스로 고온 가압하는 방법으로 제작하였다.Specifically, the 3D printing process of the polymer filaments according to Examples 1 to 5 was performed by modeling the external shape design of the tensile specimen, and using a 3D printer, the FDM method was used to fabricate the multilayer structure by a nozzle size of 0.4 mm, a lamination thickness of 1 mm, Output was performed. On the other hand, in the method using a mold press, a milled sample of the master batch according to Production Examples 1 to 5 is placed in a mold mold, heated to 190 to make the material flowable, and then pressurized at a high temperature by a press on a heated mold Respectively.
상기 표 7에 도시된 바와 같이, 실시예 1 내지 5에 따른 고분자 필라멘트를 이용하여 FDM 방식 3D 프린터 성형물로 제조하는 경우, 몰드 프레스를 이용해 제조하는 성형물 대비 우수한 섬유 배향도를 가짐을 확인할 수 있다. As shown in Table 7, when the polymer filaments according to Examples 1 to 5 were used in the FDM type 3D printer molding, it can be confirmed that the fiber filament has an excellent degree of fiber orientation compared to a molded product produced using a mold press.
따라서, 본 발명에 따른 조성물 및 이로부터 형성된 고분자 필라멘트를 이용하여 3D 프린트 성형물을 제조하는 경우, 우수한 섬유 배향도를 가지는 성형물이 제조됨을 확인할 수 있다.Accordingly, it can be confirmed that a molded article having an excellent degree of fiber orientation can be produced when a 3D printed molded article is manufactured using the composition according to the present invention and the polymer filament formed therefrom.
Claims (10)
상기 조성물을 노즐을 통해 용융 압출할 때 상기 현무암 섬유가 상기 열가소성 고분자 수지 매트릭스 상에서 일정 배향을 가지는, FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트.3 to 27 parts by weight of a basalt fiber and 72 to 96 parts by weight of a thermoplastic polymer resin,
Polymeric filament for an FDM type 3D printer wherein the basalt fiber has a certain orientation on the thermoplastic polymeric resin matrix when the composition is melt-extruded through a nozzle.
상기 열 가소성 고분자 수지는 폴리락틱엑시드(polylactic acid), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (acrylonitrile butadiene styrene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 염화폴리비닐(polyvinyl chloride), 염화 폴리비닐 염화물(Chlorinated polyvinyl chloride), 스티렌아크릴로니트릴(styreneacrylonitrile), 아크릴 스티렌 아크릴로니트릴 트리폴리머(acrylonitrile styrene acrylate), 폴리술폰(polysulfone), 폴리우레탄 (polyurethane), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 아세탈 수지(polyacetal), , 폴리아라미드(polyaramid), 폴리이미드(polyimide), 폴리에스터(polyester), 폴리에스터 엘라스토머(polyester elastomer), 아크릴산 에스터(esther acrylate), 에틸렌 코폴리머(ethylene copolymer), 스티렌(styrene)-부타디엔 공중합체(styrene-butadiene copolymer) 및 비닐아세테이트(vinyl acetate)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인, FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트.The method according to claim 1,
The thermoplastic polymer resin may be at least one selected from the group consisting of polylactic acid, acrylonitrile butadiene styrene, polypropylene, polyethylene, polystyrene, polyamide, polycarbonate polycarbonate, polyvinyl chloride, chlorinated polyvinyl chloride, styreneacrylonitrile, acrylonitrile styrene acrylate, polysulfone, polyurethane, polyurethane, polyurethane, polyphenylenesulfide, polyacetal, polyaramid, polyimide, polyester, polyester elastomer, esther acrylate, ), Ethylene copolymer, styrene-butadiene copolymer (styrene-butadiene copolymer) ne copolymer, and vinyl acetate. A polymer filament for an FDM type 3D printer.
상기 현무암 섬유는 이산화규소 43 내지 53 중량부, 산화 알루미늄 12 내지 16 중량부, 산화철 6 내지 18 중량부, 알칼리 토금속 10 내지 20 중량부 및 알칼리 금속 2 내지 8 중량부를 포함하는, FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트.The method according to claim 1,
Wherein said basalt fiber comprises a mixture of 43 to 53 parts by weight of silicon dioxide, 12 to 16 parts by weight of aluminum oxide, 6 to 18 parts by weight of iron oxide, 10 to 20 parts by weight of an alkaline earth metal and 2 to 8 parts by weight of an alkali metal. Polymer filament.
상기 현무암 섬유는 직경이 5 ㎛ 내지 30 ㎛의 범위 내에 있고, 길이가 5 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위 내에 있는, FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트.The method according to claim 1,
Wherein the basalt fiber has a diameter in a range of 5 占 퐉 to 30 占 퐉 and a length in a range of 5 占 퐉 to 500 占 퐉.
첨가제를 1 내지 10 중량부 더 포함하고,
상기 첨가제는 안료제, 염료제, 착색제, 가소제, 산화방지제, 내열 안정제, 자외선안정제, 난연제, 활제, 대전방지제, 발포제, 충격보강제, 충진제, 가교제, 무적제, 핵제, 블로킹방지제 및 슬립제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트.The method according to claim 1,
Further comprising 1 to 10 parts by weight of an additive,
The additive is selected from the group consisting of a pigment, a dye, a colorant, a plasticizer, an antioxidant, a heat stabilizer, a UV stabilizer, a flame retardant, a lubricant, an antistatic agent, a foaming agent, an impact modifier, a filler, Polymer filaments for FDM type 3D printers that are at least one selected.
직경이 0.1 mm 내지 3.0 mm의 범위 내에 있는, FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트.The method according to claim 1,
Polymer filaments for FDM type 3D printers having diameters in the range of 0.1 mm to 3.0 mm.
섬유 배향도가 0.7 이상이고, 공극률이 5 % 내지 7.2 %의 범위를 가지는, FDM 방식 3D 프린터 성형물.9. The method of claim 8,
A fiber orientation degree of 0.7 or more and a porosity ranging from 5% to 7.2%.
상기 조성물을 노즐을 통해 용융 압출하여 FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트를 제조하는 단계를 포함하며,
상기 조성물을 노즐을 통해 용융 압출할 때, 상기 현무암 섬유가 상기 열가소성 고분자 수지 매트릭스 상에서 일정 배향을 가지는, FDM 방식 3D 프린터용 고분자 필라멘트의 제조방법.Preparing 3 to 27 parts by weight of a basalt fiber and 72 to 96 parts by weight of a thermoplastic polymer resin to prepare a composition for an FDM type 3D printer; And
And melt extruding the composition through a nozzle to prepare a polymer filament for an FDM type 3D printer,
Wherein when the composition is melt-extruded through a nozzle, the basalt fiber has a certain orientation on the thermoplastic polymeric resin matrix.
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