KR102221213B1 - 3차원(3d) 인쇄용 유착제 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공-용매, 10 미만의 친수성 친유성 평형(HLB) 값을 갖는 계면활성제, 카본 블랙 안료, 중합체 분산제 및 잔부의 물을 포함하는 3차원(3D) 인쇄용 유착제에 관한 것이다. 공-용매는 유착제 총 중량% 중 약 15 내지 약 30 중량% 범위의 양으로 존재한다. 계면활성제는 유착제 총 중량% 중 약 0.5 내지 약 1.4 중량% 범위의 양으로 존재한다. 카본 블랙 안료는 유착제 총 중량% 중 약 3.0 내지 약 6.0 중량% 범위의 양으로 존재한다. 중합체 분산제는 약 12,000 내지 약 20,000 범위의 중량 평균 분자량을 갖는다.

Description

3차원(3D) 인쇄용 유착제{COALESCING AGENT FOR THREE-DIMENSIONAL (3D) PRINTING}
3차원(3D) 인쇄는 디지털 모델로부터 3차원 입체물을 제조하기 위해 사용되는 적층 인쇄 공정이다. 3D 인쇄는 흔히 급속 제품 조형(prototyping), 몰드 생성, 및 몰드 마스터 생성에 사용된다. 3D 인쇄 기술은 재료의 연속적인 층의 연합된 도포를 수반하기 때문에 적층 공정으로 여겨진다. 이것은 최종 물체를 생성하기 위해 흔히 재료의 제거에 의존하는 전통적인 가공 공정과 다르다. 3D 인쇄에 사용되는 재료는 흔히 경화 또는 융합을 필요로 하며, 일부 재료의 경우에 이는 열-보조 압출 또는 소결을 사용하여 달성될 수 있고, 다른 재료의 경우에 이는 디지털 광 투영 기술을 사용하여 달성될 수 있다.
본원의 예의 특징 및 유리점은 하기 상세한 설명 및 도면을 참고로 자명해질 것이며, 이때 유사한 참조 번호는 유사한(아마 동일하지는 않더라도) 요소에 상응한다. 간결성을 위해, 참조 번호, 또는 이전에 기재된 기능을 갖는 특징부는 이들이 나타난 다른 도면에 관련되어 기재될 수 있거나 기재되지 않는다.
도 1은 본원에 개시된 3D 인쇄법의 예를 도시하는 흐름도이다.
도 2a 내지 2d는 본원에 개시된 3D 인쇄법의 예를 사용하여 3D 물체의 하나의 층을 형성함에 수반되는 단계의 단면도이다.
도 2e는 도 2a 내지 2d의 단계를 여러회 수행한 후에 형성될 수 있는 3D 물체의 예의 단면도이다.
도 3은 도 2e의 3D 물체의 투시도이다.
도 4는 본원에 개시된 3D 인쇄법의 예에 사용될 수 있는 3D 인쇄 시스템의 예의 간소화된 등축도이다.
본원에 개시된 유착제(coalescing agent)의 예는 3차원(3D) 인쇄 시스템에 사용된다. 이러한 3D 인쇄 시스템은 해당 3D 물체/부품을 (층층이) 선택적으로 윤곽을 분명히 나타내도록 잉크젯 도포된 유착제를 사용하여 구조 물질(build material)을 융합시키기 위해 전자기 방사선의 사용을 수반하는 3D 제조 공정을 기반으로 한다. 이러한 3D 제조 공정 동안, 구조 물질(예를 들어 폴리아미드 물질 또는 또 다른 적합한 중합체)의 전체 층이 전자기 방사선에 노출되나, 구조 물질의 선택된 영역만이 융합되고 경화되어 3D 물체의 층이 된다. 유착제는 잉크젯 도포기에 의해 선택적으로 도포되어 유착제는 선택된 영역에서의 구조 물질과 접촉한다. 유착제는 중합체에 의해 분산된 카본 블랙 안료를 포함하고, 이는 선택된 영역에서의 방사선 흡수 효율을 개선한다. 중합체에 의해 분산된 카본 블랙 안료는 흡수된 방사선을 열 에너지로 전환시킬 수 있고, 이는 차례로 중합체에 의해 분산된 카본 블랙 안료와 접촉된 구조 물질을 용융시키고/시키거나 소결시킨다. 이는 구조 물질이 융합하여 3D 물체의 층을 형성함을 야기한다.
또한, 유착제는 공-용매; 및 유착제를 구조 물질 위에 비교적 균일하게 확산시킬 수 있는(구조 물질의 층에 침투하는 계면활성제에 적어도 부분적으로 기인함) 계면활성제를 포함한다. 공-용매는 300℃ 미만의 비점을 갖고, 계면활성제는 10 미만의 친수성 친유성 평형(HLB) 값을 갖는다. 이들 특정 성분을 갖는 유착제는 보다 낮은 동적 표면 장력을 갖는다(즉, 유착제는 도포시 10 ms 이내에 26 다인/cm의 평형 표면 장력에 도달한다). 동적 표면 장력이 낮을수록 유착제의 점 확산이 보다 양호하며 생성된 3D 물체의 광학 밀도가 보다 양호하다. 이는 개선되고 보다 양호한 외관 특성을 갖는 3D 물체를 야기한다.
본원에 개시된 유착제를 사용함으로써, 생성된 3D 물체는 예를 들어 상이한 공-용매, 및 지정된 HLB를 가지지 않는 양쪽성(amphoteric) 계면활성제를 포함하는 상이한 유착제를 사용하여 형성된 3D 물체와 비교시 개선된 기계적 특성(예를 들어 인장 강도, 영률(Young's modulus), 파단시 변형률(%))을 갖는다. 일부 예에서, 개선된 기계적 특성은, 본원에 개시된 유착제가 보다 적게 사용되는 경우에도 수득될 수 있음으로 생각된다.
본원에 개시된 유착제는 수계이며 특정 공-용매 및 계면활성제를 포함한다. 상기에 언급된 바와 같이, 유착제의 수성 성질 및 특정 성분은 유착제의 습윤 특성을(소수성일 수 있는 구조 물질에 대해서 조차도) 향상시킨다. 이는 유착제 내에 중합체에 의해 분산된 카본 블랙 안료가 구조 물질 표면 위에 보다 균일하게 확산됨을 가능하게 한다.
예에서, 유착제는 물(예를 들어 탈이온수), 300℃ 미만의 비점을 갖는 용매, 10 미만의 HLB를 갖는 계면활성제, 및 중합체에 의해 분산된 카본 블랙 안료를 포함한다. 유착제 내 물의 양은 다른 성분의 양에 따라 변할 수 있으나, 물은 유착제의 잔부를 이룬다(즉, 유착제의 총 중량%는 100이 된다).
상기에 언급된 바와 같이, 공-용매는 300℃ 미만의 비점을 갖는다. 일부 예에서, 공-용매는 250℃ 미만의 비점을 갖는다. 공-용매의 일부 예는 2-피롤리딘온, 1,5-펜탄다이올, 트라이에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 2-메틸-1,3-프로판다이올, 1,6-헥산다이올 및 트라이프로필렌 글리콜 메틸 에터를 포함한다. 본원에 개시된 예에서, 유착제는 열거된 공-용매 중 하나를 단독으로 또는 열거된 공-용매중 2개 이상을 조합으로 포함하고, 다른 공-용매는 배제한다. 이와 같이, 공-용매가 2-피롤리딘온인 경우, 공-용매 2-피롤리딘온이 단독으로 포함된다. 또 다른 예에서, 공-용매가 2-피롤리딘온 및 1,5-펜탄다이올의 조합인 경우, 이들 용매는 단독으로 포함된다. 공-용매는 유착제 총 중량%를 기준으로 약 15 내지 약 30 중량% 범위의 양으로 유착제에 존재할 수 있다. 예에서, 공-용매는 유착제 총 중량%를 기준으로 약 25 중량%의 양으로 유착제에 존재할 수 있다.
또한, 상기에 언급된 바와 같이, 계면활성제는 10 미만의 HLB를 갖는다. 이러한 성분은 적어도 부분적으로 낮은 동적 표면 장력(상기에 정의된 바와 같음)을 갖는 유착제에 기여한다. 10 미만의 HLB를 갖는 임의의 계면활성제가 사용될 수 있다. 예에서, 계면활성제는 아세틸렌계 다이올 화학물질을 기재로 하는 자체-유화성 계면활성제(예를 들어 에어 프로덕츠 앤드 케미컬 인코포레이티드(Air Products and Chemical Inc.)의 서피놀(SURFYNOL, 등록상표) SE-F)이다. 다른 예에서, 계면활성제는 에톡시화된 저-발포 습윤제(예를 들어 에어 프로덕츠 앤드 케미컬 인코포레이티드의 서피놀(등록상표) 440 또는 서피놀(등록상표) CT-111) 또는 에톡시화된 습윤제 및 분자 소포제(예를 들어 에어 프로덕츠 앤드 케미컬 인코포레이티드의 서피놀(등록상표) 420)이다. 10 미만의 HLB를 갖는 또 다른 적합한 계면활성제는 비이온성 습윤제 및 분자 소포제(예를 들어 에어 프로덕츠 앤드 케미컬 인코포레이티드의 서피놀(등록상표) 104E) 또는 수용성 비이온성 계면활성제(예를 들어 더 다우 케미컬 컴패니(The Dow Chemical Company)의 터지톨(TERGITOL, 상표) TMN-6)를 포함한다. 또한, 불소계 계면활성제가 구조 물질의 습윤을 개선하기 위해 10 미만의 HLB를 갖는 계면활성제에 첨가될 수 있다. 이와 같이, 또 다른 예에서, 유착제는 10 미만의 HLB를 갖는 계면활성제(예를 들어 아세틸렌계 다이올 화학물질을 기재로 하는 자체-유화성 계면활성제) 및 비이온성 불소계 계면활성제(예를 들어 듀퐁(DuPont)의 캡스톤(CAPSTONE, 등록상표) FS-35)의 조합을 포함한다.
단일 계면활성제가 사용되든 계면활성제의 조합이 사용되든, 유착제 내 계면활성제의 총량은 유착제 총 중량%를 기준으로 약 0.5 내지 약 1.4 중량% 범위일 수 있다. 예에서, 10 미만의 HLB를 갖는 계면활성제는 약 0.5 내지 약 1.25 중량% 범위의 양으로 포함되고, 불소계 계면활성제는 약 0.03 내지 약 0.10 중량% 범위의 양으로 포함된다.
코게이션 방지제(anti-kogation agent)가 유착제에 포함될 수 있다. 코게이션은 열 잉크젯 인쇄헤드의 요소를 가열하자마자 건조된 잉크(예를 들어 유착제)의 증착을 나타낸다. 코게이션 방지제는 코게이션 발생의 방지를 보조하도록 포함된다. 적합한 코게이션 방지제의 예는 올레쓰(oleth)-3-포스페이트(예를 들어 크로다(Croda)로부터 상업적으로 입수가능한 크로다포스(CRODAFOS, 상표) O3A 또는 크로다포스(상표) N-3 애시드), 또는 올레쓰-3-포스페이트 및 저분자량(예를 들어 < 5,000) 폴리아크릴산 중합체(예를 들어 루브리졸(Lubrizol)로부터 상업적으로 입수가능한 카보스퍼스(CARBOSPERSE, 상표) K-7028 폴리아크릴레이트)의 조합을 포함한다. 단일 코게이션 방지제가 사용되든 코게이션 방지제의 조합이 사용되든, 유착제 내 코게이션 방지제의 총량은 유착제 총 중량%를 기준으로 0.20 중량% 초과 내지 약 0.62 중량% 범위일 수 있다. 예에서, 올레쓰-3-포스페이트는 약 0.20 내지 약 0.60 중량% 범위의 양으로 포함되고, 저분자량 폴리아크릴산 중합체는 약 0.005 내지 약 0.015 중량% 범위의 양으로 포함된다.
본원에 개시된 유착제에서, 카본 블랙 안료는 방사선 흡수제 또는 활성 물질로서 작용한다. 카본 블랙 안료의 예는 미츠바시 케미컬 코포레이션(Mitsubishi Chemical Corporation, 일본 소재)에서 제조된 것(예컨대 카본 블랙 No. 2300, No. 900, MCF88, No. 33, No. 40, No. 45, No. 52, MA7, MA8, MA100 및 No. 2200B); 콜롬비안 케미컬즈 컴패니(Columbian Chemicals Company, 미국 조지아주 매리에타 소재)에서 제조된 라벤(RAVEN, 등록상표) 시리즈의 다양한 카본 블랙 안료(예컨대 라벤(등록상표) 5750, 라벤(등록상표) 5250, 라벤(등록상표) 5000, 라벤(등록상표) 3500, 라벤(등록상표) 1255 및 라벤(등록상표) 700); 캐봇 코포레이션(Cabot Corporation, 미국 매사추세츠주 보스턴 소재)에서 제조된 , 리갈(REGAL, 등록상표) 시리즈, 모굴(MOGUL, 등록상표) 시리즈 또는 모나치(MONARCH, 등록상표) 시리즈의 카본 블랙 안료(예컨대 리갈(등록상표) 400R, 리갈(등록상표) 330R 및 리갈(등록상표) 660R); 및 에보니크 데구사 코포레이션(Evonik Degussa Corporation, 미국 뉴저지주 파시패니 소재)에서 제조된 다양한 블랙 안료(예컨대 컬러 블랙(Color Black) FW1, 컬러 블랙 FW2, 컬러 블랙 FW2V, 컬러 블랙 FW18, 컬러 블랙 FW200, 컬러 블랙 S150, 컬러 블랙 S160, 컬러 블랙 S170, 프린텍스(PRINTEX, 등록상표) 35, 프린텍스(등록상표) U, 프린텍스(등록상표) V, 프린텍스(등록상표) 140U, 스페셜 블랙(Special Black) 5, 스페셜 블랙 4A, 및 스페셜 블랙 4)를 포함한다.
카본 블랙 안료는 유착제 중에 약 12,000 내지 약 20,000 범위의 중량 평균 분자량을 갖는 중합체 분산제에 의해 중합체에 의해 분산된다. 본원에 개시된 예 중 일부에서, 카본 블랙 안료는 초기에 수계 안료 분산액의 형태이다. 수계 안료 분산액은 카본 블랙 안료(표면 처리되지 않음), 중합체 분산제 및 물(공-용매의 존재 또는 부재하에)을 포함한다. 포함되는 경우, 공-용매의 예는 2-피롤리딘온일 수 있다. 중합체 분산제는 약 12,000 내지 약 20,000 범위의 중량 평균 분자량을 갖는 임의의 스티렌 아크릴레이트 또는 임의의 폴리우레탄일 수 있다. 스티렌 아크릴레이트 중합체 분산제의 일부 상업적으로 입수가능한 예는 존크릴(JONCRYL, 등록상표) 671 및 존크릴(등록상표) 683(둘 다 바스프 코포레이션(BASF Corp.)으로부터 입수가능)이다. 수계 안료 분산액 내에서, 카본 블랙 안료 대 중합체 분산제의 비는 약 3.0 내지 약 4.0 범위이다. 예에서, 카본 블랙 안료 대 중합체 분산제의 비는 약 3.6이다. 중합체 분산제는 향상된 전자기 방사선 흡수를 나타내는 카본 블랙 안료에 기여하는 것으로 생각된다.
유착제에 존재하는 카본 블랙 안료의 양은 유착제 총 중량%를 기준으로 약 3.0 내지 약 6.0 중량% 범위이다. 다른 예에서, 유착제에 존재하는 카본 블랙 안료의 양은 4.0 중량% 초과 내지 약 6.0 중량% 이하이다. 이들 안료 적재량은 제팅 신뢰도(jetting reliability) 및 전자기 방사선 흡수 효율을 갖는 유착제(26) 사이의 잔부를 제공하는 것으로 생각된다. 카본 블랙 안료가 수계 안료 분산액에 존재하는 경우, 유착제에 첨가되는 수계 안료 분산액의 양은 유착제 내 카본 블랙 안료의 양이 제시된 범위 내에 속하도록 선택될 수 있다.
또한, 유착제는 킬레이트제, 살생물제/항-미생물제, 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 킬레이트제는 유착제 총 중량%를 기준으로 약 0.03 내지 약 0.10 중량% 범위의 임의의 양으로 첨가될 수 있다. 적합한 킬레이트제의 예는 트릴론(TRILON, 등록상표)(바스프 코포레이션으로부터 입수가능한 아미노폴리카복시레이트)을 포함한다. 살생물제 또는 항-미생물제는 유착제의 총 중량을 기준으로 약 0.30 내지 약 0.40 중량% 범위의 임의의 양으로 첨가될 수 있다. 적합한 살생물제/항-미생물제의 예는 프록셀(PROXEL, 상표) GXL(아치 케미컬즈 인코포레이티드(Arch Chemicals, Inc.)로부터 입수가능한 1,2-벤즈이소티아졸-3-온의 수용액) 및 코덱(KORDEK, 상표) MLK(더 다우 케미컬 컴패니로부터 입수가능한 무-폼알데하이드 살균제)를 포함한다.
본원에 개시된 유착제의 예는 임의의 적합한 3D 인쇄법 및 시스템에 사용될 수 있다. 3D 인쇄법(100)의 예를 도 1에 도시하고, 인쇄법(100)의 다양한 단계에서 사용되는 인쇄 시스템(10)의 예를 도 2a 내지 2e에 나타냈다. 도 1에 나타낸 인쇄법(100)의 각각의 단계가 본원에 상세히 논의될 것이고, 일부 예에서, 도 2a 내지 2e가 도 1과 함께 논의될 것임이 이해되어야 한다.
도 1의 참조 번호 102 및 도 2a에 나타낸 바와 같이, 인쇄법(100)의 예는 3D 인쇄 시스템(10)을 사용하여 구조 물질(12)을 도포함을 포함한다. 도 2a에 나타낸 예에서, 하기에 보다 상세히 논의되는 바와 같이 구조 물질(12)의 하나의 층(14)이 도포되었다.
구조 물질(12)은 분말, 액체, 페이스트 또는 겔일 수 있다. 구조 물질(12)의 예는 5℃ 초과의 넓은 프로세스 윈도우(processing window)(즉, 융점과 재결정화 온도 사이의 온도 범위)를 갖는 중합체성 반-결정질 플라스틱 물질을 포함한다. 예에서, 프로세스 윈도우는 15 내지 약 30℃ 범위이다.
적합한 구조 물질(12)의 예는 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 이들 물질의 비정질 변형체를 포함한다. 적합한 구조 물질(12)의 또 다른 예는 폴리스티렌, 폴리아세탈, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리우레탄 및 다른 엔지니어링(engineering) 플라스틱, 본원에 열거된 중합체 중 2개 이상의 것의 블렌드를 포함한다. 또한, 이들 물질의 코어 쉘(core shell) 중합체 입자가 사용될 수 있다.
구조 물질(12)은 약 55 내지 약 450℃ 범위의 융점을 가질 수 있다. 이러한 범위 내의 융점을 갖는 구조 물질(12)의 일부 구체적 예는 나일론 11, 나일론 12, 나일론 6, 나일론 8, 나일론 9, 나일론 66, 나일론 612, 나일론 812, 나일론 912 등을 포함한다. 예로서, 폴리아미드 12(즉, 나일론 12)는 약 180°의 융점을 갖고, 폴리아미드 6(즉, 나일론 6)은 약 220°의 융점을 갖고, 폴리아미드 11(즉, 나일론 11)은 약 200°의 융점을 갖는다.
또한, 구조 물질(12)은 개질된 폴리아미드일 수 있다. 예에서, 개질된 폴리아미드 물질은 나일론 12보다 낮은 온도에서 용융하는 탄성중합체성 개질된 폴리아미드이다.
구조 물질(12)이 분말 형태일 때, 폴리아미드 구조 물질(12)은 유사한 크기의 입자(도 2a에 도시됨) 또는 상이한 크기의 입자로 이루어질 수 있다. 예에서, 구조 물질(12)은 3개의 상이한 크기의 입자를 포함한다. 이러한 예에서, 제1 입자의 평균 크기는 제2 입자의 평균 크기보다 크고, 제2 중합체 입자의 평균 크기는 제3 중합체 입자의 평균 크기보다 클 수 있다. 본원에 사용된 용어 "크기"는 구형 입자의 직경 또는 비-구형 입자의 평균 직경(즉, 비-구형 입자를 가로지르는 다수의 직경의 평균)을 나타낸다. 일반적으로, 구조 물질(12)의 입자의 평균 크기는 약 10 내지 약 100 μm 범위이다. 일부 예에서, 구조 물질(12)의 입자의 평균 크기는 약 40 내지 약 50 μm 범위이다. 상이한 크기의 각각의 입자의 예로서, 제1 입자의 평균 크기는 50 μm 초과일 수 있고, 제2 입자의 평균 크기는 10 내지 30 μm일 수 있고, 제3 입자의 평균 크기는 10 μm 이하일 수 있다. 예에서, 제1 폴리아미드 입자는 약 70 내지 약 95 중량% 범위의 양으로 존재하고, 제2 폴리아미드 입자는 약 0.5 내지 약 21 중량% 범위의 양으로 존재하고, 제3 폴리아미드 입자는 0 중량% 초과 내지 약 21 중량% 이하 범위의 양으로 존재한다.
구조 물질(12)이 구조 물질 입자에 더하여 대전제(charging agent), 유동 보조제 또는 이들의 조합을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 대전제는 첨가되어 마찰대전성(tribo-charging)을 억제할 수 있다. 적합한 대전제의 예는 지방족 아민(에톡시화될 수 있음), 지방족 아미드, 사차 암모늄 염(예를 들어 베헨트라이모늄 클로라이드 또는 코카미도프로필 베타인), 인산의 에스터, 폴리에틸렌 글리콜 에스터 또는 폴리올을 포함한다. 상업적으로 입수가능한 일부 적합한 대전제는 호스타스탯(HOSTASTAT, 등록상표) FA 38(천연 기반 에톡시화된 알킬아민), 호스타스탯(등록상표) FE2(지방산 에스터) 및 호스타스탯(등록상표) HS 1(알칸 설포네이트)(이들 각각은 클라리언트 인터네셔널 리미티드(Clariant Int. Ltd.)로부터 입수가능함)을 포함한다. 예에서, 대전제는 구조 물질 입자의 총 중량%를 기준으로 0 중량% 초과 내지 5 중량% 미만 범위의 양으로 첨가된다.
유동 보조제는 첨가되어 구조 물질(12)의 코팅 유동성을 개선할 수 있다. 유동 보조제는 입자 크기가 25 μm 미만인 경우 특히 바람직할 수 있다. 유동 보조제는 (입자 전도성을 증가시킴에 의한) 마찰, 측면 항력 및 마찰대전 발생을 감소시킴으로써 구조 물질(12)의 유동성을 개선한다. 적합한 유동 보조제의 예는 인산 삼칼슘(E341), 분말화된 셀룰로스(E460(ii)), 스테아르산 마그네슘(E470b), 중탄산 나트륨(E500), 페로시안산 나트륨(E535), 페로시안산 칼륨(E536), 페로시안산 칼슘(E538), 인산 골(E542), 규산 나트륨(E550), 이산화 규소(E551), 규산 칼슘(E552), 삼규산 마그네슘(E553a), 활석 분말(E553b), 알루미노규산 나트륨(E554), 규산 알루미늄 칼륨(E555), 알루미노규산 칼슘(E556), 벤토나이트(E558), 규산 알루미늄(E559), 스테아르산(E570) 또는 폴리다이다이메틸실록산(E900)을 포함한다. 예에서, 유동 보조제는 구조 물질 입자의 총 중량%를 기준으로 0 중량% 초과 내지 5 중량% 미만 범위의 양으로 첨가된다.
도 2a를 다시 언급하면, 3D 물체를 제조하기 위한 인쇄 시스템(10)은 공급층(16)(구조 물질(12)의 공급물 포함), 전달 피스톤(18), 롤러(20), 제작층(22)(접촉 표면(23)을 가짐) 및 제작 피스톤(24)을 포함한다. 각각의 이들 물리적 요소는 인쇄 시스템(10)의 중앙처리장치(도시되지 않음)에 작용적으로 연결될 수 있다. 중앙처리장치(예를 들어 비-일시적 유형(有形)의 컴퓨터 해독가능한 기억 매체 상에 저장된 컴퓨터 해독가능한 명령을 운영함)는 3D 물체를 생성시키도록 물리적 요소를 제어하기 위해 인쇄기의 레지스터 및 메모리 내에 물리적(전자적) 수량으로서 표시되는 데이터를 조작하고 변형시킨다. 구조 물질(12), 유착제 등의 선택적 전달을 위한 데이터는 형성시킬 3D 물체의 모델로부터 유도될 수 있다.
전달 피스톤(18) 및 제작 피스톤(24)은 동일한 유형의 피스톤일 수 있으나, 반대 방향으로 이동하도록 프로그래밍된다. 예에서, 3D 물체의 제1 층이 형성될 때, 전달 피스톤(18)은 공급층(16) 내 개구부로부터 미리 결정된 양의 구조 물질(12)을 밀어내도록 프로그래밍될 수 있고, 제작 피스톤(24)은 제작층(22)의 깊이를 증가시키기 위해 전달 피스톤(18)의 반대 방향으로 이동하도록 프로그래밍될 수 있다. 롤러(20)가 구조 물질(12)을 제작층(22) 내로 및 접촉 표면(23) 상으로 밀어낼 때, 제작층(22)의 깊이가 구조 물질(12)의 층(14)이 제작층(22) 내로 형성될 수 있기에 충분하도록 전달 피스톤(18)은 충분히 진전할 것이다. 롤러(20)는 구조 물질(12)을 제작층(22) 내로 확산시켜 비교적 균일한 두께의 층(14)을 형성할 수 있다. 예에서, 층(14)의 두께는 약 90 내지 약 110 μm 범위이나, 보다 얇거나 두꺼운 층이 사용될 수도 있다.
롤러(20)는 다른 도구, 예컨대 상이한 유형의 분말을 확산시키는데 바람직할 수 있는 블레이드, 또는 롤러와 블레이드의 조합으로 대체될 수 있음이 이해되어야 한다.
구조 물질(12)의 층(14)이 제작층(22)에 도입된 후에, 층(14)은 가열에 노출된다(도 1의 참조 번호 104 및 도 2b에 도시됨). 가열이 수행되어 구조 물질(12)을 예열하며, 따라서 가열 온도가 구조 물질(12)의 융점 미만인 것이 바람직하다. 이와 같이, 선택된 가열 온도는 사용된 구조 물질(12)에 좌우될 것이다. 예로서, 가열 온도는 구조 물질(12)의 융점보다 약 5 내지 약 20℃ 낮을 수 있다. 예에서, 구조 물질(12)은 약 50 내지 약 430℃ 범위의 온도로 가열된다. 구조 물질(12)이 폴리아미드 12인 예에서, 예열 온도는 약 160 내지 약 170℃ 범위이다.
구조 물질(12)의 층(14)의 예열은 제작층(22) 내 모든 구조 물질(12)을 열에 노출시키는 임의의 적합한 열 공급원을 사용하여 수행될 수 있다. 열 공급원의 예는 전자기 방사선 공급원, 예컨대 적외선 공급원 또는 근적외선 공급원을 포함한다.
층(14)을 예열한 후에, 이전에 기재된 유착제(26)는 층(14) 내 구조 물질(12)의 일부분 상에 선택적으로 도포된다(도 1의 참조 번호 106 및 도 2c에 도시됨). 도 2c에 도시된 바와 같이, 유착제(26)는 잉크젯 도포기(28)(예를 들어 열 잉크젯 인쇄헤드 또는 압전 잉크젯 인쇄헤드)로부터 분배될 수 있다. 단일 잉크젯 도포기(28)가 도 2c에 나타나지만, 다수의 잉크젯 도포기가 제작층(22)의 너비에 걸쳐 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 잉크젯 도포기(28)는 이동하는 XY 스테이지 또는 병진 캐리지(둘 다 도시되지 않음)에 부착될 수 있고, 이는 유착제(26)를 바람직한 구역에 증착시키기 위해 제작층(22)에 인접한 잉크젯 도포기(28)를 이동시킨다.
잉크젯 도포기(28)는 중앙처리장치로부터 명령을 수용하고 형성시킬 3D 물체의 층에 대한 단면의 패턴에 따라 유착제(26)를 증착시키도록 프로그래밍될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 형성시킬 물체의 층의 단면은 접촉 표면(23)에 평행한 단면을 의미한다. 잉크젯 도포기(28)는 층(14)의 일부분들 상에 유착제(26)를 선택적으로 도포하고, 이는 융합되어 3D 물체의 하나의 층이 된다. 예로서, 제1 층이 정육면체 또는 실린더와 같이 성형되는 경우, 유착제(26)는 구조 물질(12)의 층(14)의 적어도 일부분 상에 각각 정사각형 패턴 또는 원형 패턴(평면 시점으로부터)으로 증착될 것이다. 도 2c에 나타낸 예에서, 유착제(26)는 정사각형 패턴으로 층(14)의 구역 또는 일부분(30) 상에 증착되고 구역 또는 일부분(32) 상에는 증착되지 않는다.
본원에 개시된 인쇄법(100)의 예에서, 단일 유착제(26)가 선택적으로 도포되어 3D 물체의 층을 형성할 수 있다. 도포된 유착제(26)의 양은 디지털 방식으로 조절되어 최종 제품의 특성을 변화시킬 수 있음이 이해될 수 있다.
유착제(26)가 목적되는 구역 또는 일부분(30)에 선택적으로 도포된 후에, 구조 물질(12)의 전체 층(14) 및 이의 적어도 일부분에 도포된 유착제(26)는 전자기 방사선에 노출된다. 이는 도 1의 단계(108) 및 도 2d에 나타냈다.
예에서, 전자기 방사선은 적외선 또는 근적외선 방사선일 수 있다. 전자기 방사선은 방사선 공급원(34), 예컨대 적외선(IR) 또는 근적외선 경화 램프, 적외선 또는 근적외선 발광 다이오드(LED), 또는 바람직한 전자기 파장을 갖는 레이저로부터 방출된다. 예에서, 광원 전자기 파장은 약 100 nm(UV) 내지 약 10 μm 범위이다. 또 다른 예에서, 광원은 약 800 nm의 파장을 갖는 근적외선 광원이다. 또 다른 예에서, 광원은 약 2 μm의 파장을 갖는 적외선 광원이다. 방사선 공급원(34)은 예를 들어 잉크젯 도포기(28)를 갖는 캐리지에 부착될 수 있다. 캐리지는 방사선 공급원(34)을 제작층(22)에 인접한 위치로 이동시킬 수 있다. 방사선 공급원(34)은 중앙처리장치로부터 명령을 수용하고 층(14) 및 도포된 유착제(26)를 전자기 에너지(예를 들어 적외선 또는 근적외선 에너지)에 노출시키도록 프로그래밍될 수 있다.
방사 시간의 길이가 하기 중 하나 이상을 위해 적용될 수 있거나 에너지 노출 시간이 예를 들어 하기 중 하나 이상에 대하여 좌우될 수 있다: 방사선 공급원(34)의 특징; 구조 물질(12)의 특징; 및/또는 유착제(26)의 특징.
융합 수준의 변화는 X, Y 및/또는 Z 축을 따라 에너지 노출 시간을 변경(증가 또는 감소)시킴으로써 달성될 수 있음이 이해되어야 한다. 예로서, 융합 수준이 Z 축을 따라 감소함이 바람직한 경우, 방사선 노출 시간은 제1 층에서 가장 높은 값일 수 있고 후속적으로 형성된 층에서 감소될 수 있다. 또 다른 예에서, 융합 수준의 변화는 X, Y 및/또는 Z 축을 따라 유착제(26) 양을 변경(증가 또는 감소)시킴으로써 달성될 수 있다.
유착제(26)는 전자기 에너지의 흡수를 향상시키고 흡수된 전자기 에너지를 열 에너지로 전환시키고 유착제(26)와 접촉한 구조 물질(12)(즉, 구역/일부분(32))로의 열 이동을 촉진한다. 예에서, 유착제(26)는 구역(32) 내 구조 물질(12)의 온도를 이의 융점과 가깝거나 그 이상의 온도로 충분히 상승시켜 구조 물질(12)의 융합(용융, 소결, 결합 등을 포함할 수 있음)을 발생시킨다. 구체적 예에서, 온도는 구조 물질(12)의 융점보다 약 50℃ 높은 온도로 상승된다. 또한, 유착제(26)는 예를 들어 이의 융점 미만이나 연화 및 결합을 야기하는데 적합한 온도로 구조 물질(12)의 가열을 야기할 수 있다. 유착제(26)가 도포되지 않은 구역(32)은 에너지를 덜 흡수하고, 따라서 이들 구역(32) 내 구조 물질(12)은 일반적으로 융점을 초과하지 않고 융합되지 않음이 이해되어야 한다. 이는 형성될 3D 물체(50)의 하나의 층(40)(도 2e 및 3)을 형성한다.
상기에 언급된 바와 같이, 전자기 방사선 노출은 구역(32) 내 구조 물질(12)을 융합시켜 3D 물체(50)의 층(40)을 형성한다. 도 1의 단계(102 내지 108)는 후속 층(42, 44, 46)(도 2E)을 형성하고 궁극적으로 3D 물체(50)를 형성하는데 바람직한 횟수만큼 반복될 수 있다. 유착제(26)가 도포되거나 침투된 구조 물질(12)의 일부분에 의해 (에너지의 적용 동안) 흡수된 열은 이전에 경화된 층, 예컨대 층(40)에 전파되어 층(40) 중 적어도 일부를 이의 융점 초과로 가열하는 것을 야기할 수 있다. 이러한 효과는 3D 물체(50)의 인접 층(예를 들어 40 및 42) 사이에 강한 중간층 결합의 형성을 보조한다.
도 2e는 제작층(22)에 형성된 3D 물체(50)의 하나의 예를 도시한다. 후속적으로 형성된 층(42, 44, 46)은 임의의 바람직한 모양 및/또는 두께를 가질 수 있고 형성될 3D 물체(50)의 크기, 모양 등에 따라 임의의 다른 층(40, 42, 44, 46)과 동일하거나 상이할 수 있음이 이해되어야 한다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 후속 층(42, 44, 46)이 형성된 후에, 전달 피스톤(18)은 전달층(16)의 개구부에 가까이 밀려나며, 전달층(16) 내 구조 물질(12)의 공급은 줄어든다(예를 들어 인쇄법(100)의 발단에서 도 2a와 비교시). 제작 피스톤(24)은 구조 물질(12)의 후속 층 및 선택적으로 도포된 유착제(26)를 수용하기 위해 제작층(22)의 개구부에서 추가로 밀려난다. 구조 물질(12) 중 적어도 일부가 각각의 층(40, 42, 44, 46)이 형성된 후에 융합되지 않은 상태이기 때문에, 3D 물체(50)는 제작층(22) 내 융합되지 않은 구조 물질(12)로 적어도 부분적으로 둘러싸인다.
3D 물체(50)가 완성될 때, 이는 제작층(22)으로부터 제거될 수 있으며, 제작층(22) 내 남아있는 융합되지 않은 구조 물질(12)은 부분적으로 공정 조건에 따라 재사용될 수 있다.
도 3은 3D 물체(50)의 투시도이다. 각각의 층(40, 42, 44, 46)은 융합(용융, 소결, 결합 등)된 구조 물질 및 유착제(26)의 적어도 일부 성분(즉, 증발되지 않은 성분)을 포함한다.
이제 도 4를 참조하면, 인쇄 시스템(10')의 또 다른 예가 도시되어 있다. 시스템(10')은 적층 인쇄 시스템(10')의 일반적 작동을 제어하는 중앙처리장치(CPU)(56)를 포함한다. 예로서, 중앙처리장치(CPU)(56)는 예를 들어 통신 버스(도시되지 않음)를 통해 메모리(52)에 커플링된 마이크로프로세서-기반 제어장치일 수 있다. 메모리(52)는 컴퓨터 해독가능한 명령(54)을 저장한다. 중앙처리장치(56)는 명령(54)을 실행할 수 있고, 따라서 명령(54)에 따라 시스템(10')의 작동을 제어할 수 있다.
이러한 예에서, 인쇄 시스템(10')은 지지 부재(60)에 제공된 구조 물질(12)의 층(14)(본 도면에 도시되지 않음)에 유착제(26)를 선택적으로 전달/도포하는 잉크젯 도포기(28)를 포함한다. 예에서, 지지 부재(60)는 형성될 3D 물체(50)에 따라 보다 크거나 작은 치수를 가질 수 있지만, 지지 부재(60)는 약 10 cm × 10 cm 내지 약 100 cm × 100 cm 범위의 치수를 갖는다.
중앙처리장치(56)는 전달 제어 데이터(58)에 따라 구조 물질(12)의 층(14)으로의 유착제(26)의 선택적 전달을 제어한다.
도 4에 나타낸 예에서, 잉크젯 도포기(28)는 인쇄헤드, 예컨대 열 인쇄헤드 또는 압전 잉크젯 인쇄헤드임이 이해되어야 한다. 잉크젯 도포기(28)는 드롭-온-디멘드(drop-on-demand) 인쇄헤드 또는 연속 드롭 인쇄헤드일 수 있다.
잉크젯 도포기(28)는 적합한 유체의 형태인 경우 유착제(26)를 선택적으로 전달하는데 사용될 수 있다. 상기에 기재된 바와 같이, 유착제(26)는 수성 비히클, 예컨대 물, 공-용매, 계면활성제 등을 포함하여 이것이 잉크젯 도포기(28)를 통해 전달되는 것을 가능하게 한다.
하나의 예에서, 잉크젯 도포기(28)는 약 300 내지 약 1200 도트/인치(DPI) 범위의 해상도에서 유착제(26)의 드롭을 전달하도록 선택될 수 있다. 다른 예에서, 잉크젯 도포기(28)는 보다 높거나 낮은 해상도에서 유착제(26)의 드롭을 전달할 수 있도록 선택될 수 있다.
잉크젯 도포기(28)는 잉크젯 도포기(28)가 유체의 드롭을 선택적으로 내보낼 수 있게 하는 노즐의 어레이를 포함할 수 있다. 하나의 예에서, 보다 크거나 작은 드롭 크기가 사용될 수 있음이 고려되지만, 각각의 드롭은 드롭 당 약 10 피코리터(pl)일 수 있다. 일부 예에서, 잉크젯 도포기(28)는 다양한 크기의 드롭을 전달할 수 있다.
잉크젯 도포기(28)는 인쇄 시스템(10')의 일체부일 수 있거나 사용자가 교체할 수 있다. 잉크젯 도포기(28)가 사용자가 교체할 수 있는 경우, 이는 적합한 배전 수신기 또는 인터페이스 모듈(도시되지 않음)에 제거가능하게 삽입될 수 있다.
인쇄 시스템(10')의 또 다른 예에서, 단일 잉크젯 인쇄헤드는 상이한 유착제(26)를 선택적으로을 전달하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 인쇄헤드의 인쇄헤드 노즐의 제1 세트는 유착제(26) 중 하나를 전달하도록 구성될 수 있고, 인쇄헤드의 인쇄헤드 노즐의 제2 세트는 유착제(26) 중 나머지 하나를 전달하도록 구성될 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 잉크젯 도포기(28)는 페이지-와이드(page-wide) 어레이 구성에서 지지 부재(60)의 전체 너비를 가로지를 수 있는 길이를 갖는다. 예에서, 페이지-와이드 어레이 구성은 여러 잉크젯 도포기(28)의 적합한 배열을 통해 달성된다. 또 다른 예에서, 페이지-와이드 어레이 구성은 지지 부재(60)의 너비를 가로지를 수 있는 길이를 갖는 노즐의 어레이를 갖는 단일 잉크젯 도포기(28)를 통해 달성된다. 인쇄 시스템(10')의 다른 예에서, 잉크젯 도포기(28)는 지지 부재(60)의 전체 너비를 가로지를 수 없는 보다 짧은 길이를 가질 수 있다.
도 4에 도시되지는 않았지만, 잉크젯 도포기(28)가 도시된 Y 축을 따라 지지 부재(60)의 길이에 걸쳐 양방향으로 이동할 수 있게 하는 이동가능한 캐리지에 장착될 수 있음이 이해되어야 한다. 이는 단일 패스에서 지지 부재(60)의 전체 너비 및 길이에 걸쳐 유착제(26)의 선택적 전달을 가능하게 한다. 다른 예에서, 지지 부재(60)가 관련되어 이동하도록 구성되는 반면에 잉크젯 도포기(28)는 고정될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "너비"는 일반적으로 도 4에 도시된 X 및 Y 축에 평행한 면에서 가장 짧은 치수를 나타내고, 용어 "길이"는 상기 면에서 가장 긴 치수를 나타낸다. 그러나, 다른 예에서, 용어 "너비"는 용어 "길이"와 상호교환적일 수 있다. 예로서, 이동가능한 캐리지가 지지 부재(60)의 너비에 걸쳐 양방향으로 이동할 수 있는 반면에, 잉크젯 도포기(28)는 지지 부재(60)의 전체 길이를 가로지를 수 있는 길이를 가질 수 있다.
잉크젯 도포기(28)가 지지 부재(60)의 전체 너비를 가로지를 수 없는 보다 짧은 길이를 가지는 예에서, 잉크젯 도포기(28)는 도시된 X 축에서 지지 부재(60)의 너비에 걸쳐 양방향으로 이동가능할 수 있다. 이러한 구성은 여러 패스를 사용하여 지지 부재(60)의 전체 너비 및 길이에 걸쳐 유착제(26)의 선택적 전달을 가능하게 한다.
잉크젯 도포기(28)는 그 안에 유착제(26)의 공급물을 포함할 수 있거나 유착제(26)의 개별적 공급물에 유효하게 연결될 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 인쇄 시스템(10')은 구조 물질 배전기(64)도 포함한다. 이러한 배전기(64)는 지지 부재(60) 상에 구조 물질(12)의 층(예를 들어 층(14))을 제공하는데 사용된다. 적합한 구조 물질 배전기(64)는 예를 들어 와이퍼 블레이드, 롤러 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
구조 물질(12)은 호퍼(hopper) 또는 다른 적합한 전달 시스템으로부터 구조 물질 배전기(64)에 공급될 수 있다. 나타낸 예에서, 구조 물질 배전기(64)는 지지 부재(60)의 길이(Y 축)에 걸쳐 이동하여 구조 물질(12)의 층을 증착시킨다. 이전에 기재된 바와 같이, 구조 물질(12)의 제1 층은 지지 부재(60) 상에 증착될 것인 반면에, 구조 물질(12)의 후속 층은 이전에 증착된 (및 경화된) 층 상에 증착될 것이다.
지지 부재(60)는 Z 축을 따라서도 이동가능할 수 있음이 추가로 이해되어야 한다. 예에서, 구조 물질(12)의 새로운 층이 증착될 때 미리 결정된 갭이 가장 최근에 형성된 층의 표면과 잉크젯 도포기(28)의 아랫면 사이에 유지되도록 지지 부재(60)는 Z 방향으로 이동한다. 그러나, 다른 예에서, 지지 부재(60)는 Z 축을 따라 고정될 수 있고, 잉크젯 도포기(28)는 Z 축을 따라 이동가능할 수 있다.
시스템(10)과 유사하게, 시스템(10')은 구조 물질(12)의 증착된 층 및 선택적으로 도포된 유착제(26)에 에너지를 적용하여 구조 물질(12)의 일부분(32)의 경화를 야기하는 방사선 공급원(34)을 포함한다. 이전에 기재된 방사선 공급원(34) 중 임의의 것이 사용될 수 있다. 예에서, 방사선 공급원(34)은 도포된 물질에 균일하게 에너지를 적용할 수 있는 단일 에너지 공급원이고, 또 다른 예에서, 방사선 공급원(34)은 증착된 물질에 에너지를 균일하게 도포하는 에너지 공급원의 어레이를 포함한다.
본원에 개시된 예에서, 방사선 공급원(34)은 실질적으로 균일한 방법으로 에너지를 증착된 구조 물질(12)의 전체 표면에 적용하도록 구성된다. 이러한 유형의 방사선 공급원(34)은 초점 없는 에너지 공급원으로서 지칭될 수 있다. 전체 층을 에너지에 동시에 노출시킴은 3차원 물체(50)가 생성되는 속도의 증가를 보조할 수 있다.
나타내지 않았지만, 방사선 공급원(34)이 이동가능한 캐리지 상에 장착될 수 있거나 고정된 위치에 존재할 수 있음이 이해되어야 한다.
중앙처리장치(56)는 방사선 공급원(34)을 제어할 수 있다. 적용된 에너지의 양은 전달 제어 데이터(58)에 따를 수 있다.
또한, 시스템(10')은 증착된 구조 물질(12)을 예열하는데 사용되는 예열기(62)를 포함할 수 있다(도 2b를 참고로 도시 및 기재됨). 예열기(62)의 사용은 방사선 공급원(34)에 의해 적용되어야 할 에너지 양의 감소를 보조할 수 있다.
본원을 추가로 설명하기 위해, 본원에 실시예가 제공된다. 이들 실시예는 예시적인 목적으로 제공된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않음이 이해되어야 한다.
실시예 1
유착제를 본원에 개시된 실시예에 따라 제조하였다. 실시예 유착제의 제형을 하기 표 1에 나타냈다. 또한, 비교 유착제를 제조하였다. 또한, 비교 유착제의 제형을 하기 표 1에 나타냈다. 양은 중량%로 제공된다. 카본 블랙 안료를 수성 분산액(물 및 중합체 분산제 포함) 형태의 제형에 첨가하였으나, 표 1에 제시된 양은 카본 블랙 안료의 실제 양을 나타낸다.
[표 1]
Figure 112017028220242-pct00001
실시예 CA 1 및 비교 실시예 CA 1을 2개의 상이한 유형의 폴리아미드-12, 즉, PA2200(일렉트로 옵티컬 시스템즈(Electro Optical Systems)로부터 입수가능) 및 VESTOSINT X1556(에보니크로부터 입수가능)을 갖는 3D 물체를 제조하는데 사용하였다. 각각의 폴리아미드-12(PA-12) 물질의 층을 제작층에 도포하였다. 실시예 PA2200 파트를 형성하기 위해, 실시예 CA 1을 PA2200 층의 일부분 상에 패턴으로 9 ng 인쇄헤드로 열 잉크젯 인쇄하고 적외선 방사선에 노출시켰다. 실시예 VESTOSINT X1556 파트를 형성하기 위해, 실시예 CA 1을 VESTOSINT X1556 층의 일부분 상에 패턴으로 9 ng 인쇄헤드로 열 잉크젯 인쇄하고 적외선 방사선에 노출시켰다. 비교 실시예 PA2200 파트를 형성하기 위해, 비교 실시예 CA 1을 PA2200 층의 일부분 상에 패턴으로 9 ng 인쇄헤드로 열 잉크젯 인쇄하고 적외선 방사선에 노출시켰다. 비교 실시예 VESTOSINT X1556 파트를 형성하기 위해, 비교 실시예 CA 1을 VESTOSINT X1556 층의 일부분 상에 패턴으로 9 ng 인쇄헤드로 열 잉크젯 인쇄하고 적외선 방사선에 노출시켰다. 각각의 실시예 CA 1 및 비교 실시예 CA 1을 XY 방향의 양과 Z 방향의 양을 동일하게 도포하였다. 방사선 노출은 약 5 인치/초였다.
실시예 PA2200 파트, 실시예 VESTOSINT X1556 파트, 비교 실시예 PA2200 파트 및 비교 실시예 VESTOSINT X1556 파트를 시험하여 인장 강도, 영률, 항복시 변형률(%), 파단시 변형률(%) 및 파단-항복 변형률(%)을 비롯한 다양한 기계적 특성을 결정하였다. 각각의 실시예 파트 및 비교 실시예 파트를 ASTM D638("Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics")에 기재된 방법을 사용하여 단축 인장으로 시험하였다. 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
[표 2]
Figure 112017028220242-pct00002
표 2에 나타낸 바와 같이, XY 및 Z 방향에서, 실시예 PA2200 파트(실시예 CA 1을 사용하여 제조)의 모든 기계적 특성은 비교 실시예 PA2200 파트(비교 실시예 CA 1을 사용하여 제조)의 기계적 특성보다 양호하였다. 이처럼, XY 및 Z 축 강도는 실시예 PA2200 파트에서 개선되었다.
또한, 표 2에 나타낸 바와 같이, XY 방향에서, 실시예 VESTOSINT X1556 파트의 모든 기계적 특성은 비교 실시예 VESTOSINT X1556 파트의 기계적 특성보다 양호하였다.
또한, 기계적 특성은 사용된 실시예 유착제의 양을 조정함으로써 추가로 개선될 수 있음으로 생각된다.
실시예 2
형성된 3D 물체의 기계적 특성에 대한 유착제에 사용된 안료 유형의 효과를 시험하기 위해, 3개의 상이한 카본 블랙 안료 분산액을 사용하여 3개의 상이한 유착제를 제조하였다. 상이한 유착제의 비히클은 동일하였다. 비히클은 10 미만의 HLB를 갖는 계면활성제를 포함하지 않음에 주목한다. 하나의 실시예 유착제를 제조하고(실시예 CA 2), 2개의 비교 실시예 유착제를 제조하였다(비교 실시예 CA 2 및 3). 비교 실시예 CA 2의 카본 블랙 안료는 실시예 1의 CB1(즉, 중합체에 의해 분산되지 않은 표면 처리된 카본 블랙 안료)이었다. 비교 실시예 CA 3의 카본 블랙 안료는 12,000 미만의 중량 평균 분자량을 갖는 스티렌 아크릴레이트로 중합체에 의해 분산된 카본 블랙 안료였다. 실시예 CA 2의 카본 블랙 안료는 실시예 1의 CB2(즉, 존크릴(등록상표) 671(약 17,000의 중량 평균 분자량을 갖는 스티렌 아크릴레이트)로 분산된 카본 블랙 안료)이었다. 제형을 하기 표 3에 나타냈다.
[표 3]
Figure 112017028220242-pct00003
실시예 CA 2, 및 비교 실시예 CA 2 및 CA 3을 폴리아미드-12를 갖는 3D 물체를 제조하는데 사용하였다. 각각의 폴리아미드-12(PA-12) 물질의 층을 제작층에 도포하였다. 실시예 파트를 형성하기 위해, 실시예 CA 2를 PA-12 층의 일부분 상에 패턴으로 9 ng 인쇄헤드로 열 잉크젯 인쇄하고 적외선 방사선에 노출시켰다. 비교 실시예 PA-12 파트를 형성하기 위해, 비교 실시예 CA 2 및 CA 3을 PA-12 층의 일부분 상에 패턴으로 9 ng 인쇄헤드로 열 잉크젯 인쇄하고 적외선 방사선에 노출시켰다. 각각의 실시예 CA 2, 및 비교 실시예 CA 2 및 CA 3을 XY 방향의 양과 Z 방향의 양을 동일하게 도포하였다. 방사선 노출은 약 5 인치/초였다.
실시예 파트 및 비교 실시예 파트를 시험하여 인장 강도, 영률 및 항복시 변형률(%)을 비롯한 다양한 기계적 특성을 결정하였다. 각각의 실시예 파트 및 비교 실시예 파트를 ASTM D638("Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics")에 기재된 방법을 사용하여 단축 인장으로 시험하였다. 결과를 하기 표 4에 나타냈다. Z 축을 따르는 기계적 특성은 시험하지 않았다.
[표 4]
Figure 112017028220242-pct00004
CB2로 제조한 실시예 파트의 기계적 특성은 다른 카본 블랙 잉크 분산액(CB1 및 CB3)으로 제조한 파트의 것보다 양호하였다. 실시예 CA 2로 제조한 파트의 기계적 특성은 10 미만의 HLB 값을 갖는 계면활성제를 혼입함으로써 훨씬 더 향상될 수 있다.
실시예 3
형성된 3D 물체의 기계적 특성에 대한 유착제에 사용된 코게이션 방지제 수준의 효과를 시험하기 위해, 2개의 상이한 코게이션 방지제 수준을 사용하여 2개의 상이한 유착제를 제조하였다. 하나의 실시예 유착제를 제조하고(실시예 CA 3), 하나의 비교 실시예 유착제를 제조하였다(비교 실시예 CA 4). 제형을 하기 표 5에 나타냈다.
[표 5]
Figure 112017028220242-pct00005
실시예 CA 3 및 비교 실시예 CA 4를 폴리아미드-12를 갖는 3D 물체를 제조하는데 사용하였다. 각각의 폴리아미드-12(PA-12) 물질의 층을 제작층에 도포하였다. 실시예 파트를 형성하기 위해, 실시예 CA 3을 PA-12 층의 일부분 상에 패턴으로 9 ng 인쇄헤드로 열 잉크젯 인쇄하고 적외선 방사선에 노출시켰다. 비교 실시예 PA-12 파트를 형성하기 위해, 비교 실시예 CA 4를 PA-12 층의 일부분 상에 패턴으로 9 ng 인쇄헤드로 열 잉크젯 인쇄하고 적외선 방사선에 노출시켰다. 각각의 실시예 CA 3 및 비교 실시예 CA 4를 XY 방향의 양과 Z 방향의 양을 동일하게 도포하였다. 방사선 노출은 약 5 인치/초였다.
실시예 파트 및 비교 실시예 파트를 시험하여 인장 강도, 영률, 항복시 변형률(%), 파단시 변형률(%) 및 파단-항복 변형률(%)을 비롯한 다양한 기계적 특성을 결정하였다. 각각의 실시예 파트 및 비교 실시예 파트를 ASTM D638("Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics")에 기재된 방법을 사용하여 단축 인장으로 시험하였다. 결과를 하기 표 6에 나타냈다. Z 축을 따르는 기계적 특성은 시험하지 않았다.
[표 6]
Figure 112017028220242-pct00006
표 6에 나타낸 바와 같이, 파단-항복 변형률(%)을 제외한 실시예 PA-12 파트(실시예 CA 3으로 제조함)의 모든 기계적 특성은 비교 실시예 PA-12 파트(비교 실시예 CA 4로 제조함)의 기계적 특성보다 양호하거나 그와 같았다. 이처럼, 코게이션 방지제 수준은 3D 물체의 기계적 특성을 개선하기 위해 본원에 개시된 유착제에 적합한 양으로 포함될 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐 "하나의 예", "또 다른 예", "예" 등의 인용은 예와 관련하여 기재된 특정 요소(예컨대, 특색, 구조 및/또는 특징)가 본원에 기재된 하나 이상의 예에 포함되고 다른 예에 존재하거나 존재하지 않을 수 있음을 의미한다. 또한, 임의의 예에 대해 기재된 요소는 문맥상 명백하게 달리 해석되지 않는 한 다양한 예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있음이 이해되어야 한다.
본원에 제공되는 범위는 언급된 범위 및 언급된 범위 내의 임의의 값 또는 하위-범위를 포함함이 이해되어야 한다. 예를 들어, 약 55 내지 약 450℃ 범위는 55 내지 약 450℃의 명시적으로 인용된 한도뿐만 아니라 개별적인 값, 예컨대 57℃, 95℃, 125℃, 250℃ 등, 및 하위-범위, 예컨대 약 70 내지 약 325℃, 약 60 내지 약 170℃ 등을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 값을 기재하기 위하여 "약"이 사용되는 경우, 이는 언급된 값에서 약간 변하는 값(+/-10% 이하)을 포괄하는 의미이다.
본원에 개시된 예를 기재 및 특허청구함에 있어서, 단수형 용어는 문맥상 명백하게 달리 해석되지 않는 한 복수개의 인용물을 포함한다.
몇 가지 예를 상세하게 기재하였으나, 개시된 예가 변형될 수 있음이 자명할 것이다. 따라서, 전술된 기재내용은 비제한적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (15)

  1. 유착제 총 중량% 중 15 내지 30 중량% 범위의 양으로 존재하는 공-용매;
    유착제 총 중량% 중 0.5 내지 1.4 중량% 범위의 양으로 존재하고 10 미만의 친수성 친유성 평형(HLB) 값을 갖는 계면활성제;
    유착제 총 중량% 중 3.0 내지 6.0 중량% 범위의 양으로 존재하는 카본 블랙 안료;
    12,000 내지 20,000 범위의 중량 평균 분자량을 갖는 중합체 분산제; 및
    잔부의 물
    을 포함하는, 3차원(3D) 인쇄용 유착제.
  2. 제1항에 있어서,
    유착제 총 중량% 중 0.03 내지 0.10 중량% 범위의 양으로 존재하는 킬레이트제를 추가로 포함하는 유착제.
  3. 제1항에 있어서,
    중합체 분산제가 스티렌 아크릴레이트 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 유착제.
  4. 제1항에 있어서,
    공-용매가 300℃ 미만의 비점을 갖는, 유착제.
  5. 제4항에 있어서,
    공-용매가 2-피롤리딘온, 1,5-펜탄다이올, 트라이에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 2-메틸-1,3-프로판다이올, 1,6-헥산다이올, 트라이프로필렌 글리콜 메틸 에터 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 유착제가 다른 공-용매는 배제하는, 유착제.
  6. 제1항에 있어서,
    계면활성제가 아세틸렌계 다이올 화학물질을 기재로 하는 자체-유화성 계면활성제이거나, 불소계 계면활성제, 및 아세틸렌계 다이올 화학물질을 기재로 하는 자체-유화성 계면활성제의 조합을 포함하는, 유착제.
  7. 제1항에 있어서,
    폴리아크릴산 중합체 및 올레쓰-3 포스페이트의 조합을 포함하는 코게이션 방지제를 추가로 포함하는 유착제로서, 상기 조합이 유착제 총 중량% 중 0.20 중량% 초과 내지 0.62 중량% 범위의 양으로 존재하는, 유착제.
  8. 유착제 총 중량% 중 15 내지 30 중량% 범위의 양으로 존재하는 공-용매;
    유착제 총 중량% 중 0.5 내지 1.4 중량% 범위의 양으로 존재하고 10 미만의 친수성 친유성 평형(HLB) 값을 갖는 계면활성제;
    유착제 총 중량% 중 0.20 중량% 초과 내지 0.62 중량% 범위의 양으로 존재하는 코게이션 방지제;
    유착제 총 중량% 중 3.0 내지 6.0 중량% 범위의 양으로 존재하는 카본 블랙 안료;
    12,000 내지 20,000 범위의 중량 평균 분자량을 갖는 중합체 분산제;
    유착제 총 중량% 중 0.03 내지 0.10 중량% 범위의 양으로 존재하는 킬레이트제;
    임의적으로 살생물제; 및
    잔부의 물
    로 이루어진 3차원(3D) 인쇄용 유착제.
  9. 제8항에 있어서,
    살생물제가 유착제 총 중량% 중 0.30 내지 0.40 중량% 범위의 양으로 존재하는, 유착제.
  10. 구조 물질; 및
    구조 물질 중 적어도 일부의 표면 상에 도포된 유착제
    를 포함하는 3D 인쇄된 물체의 층으로서,
    상기 유착제가
    유착제 총 중량% 중 15 내지 30 중량% 범위의 양으로 존재하는 공-용매;
    유착제 총 중량% 중 0.5 내지 1.4 중량% 범위의 양으로 존재하고 10 미만의 친수성 친유성 평형(HLB) 값을 갖는 계면활성제;
    유착제 총 중량% 중 3.0 내지 6.0 중량% 범위의 양으로 존재하는 카본 블랙 안료;
    12,000 내지 20,000 범위의 중량 평균 분자량을 갖는 중합체 분산제; 및
    잔부의 물
    을 포함하는, 층.
  11. 제10항에 있어서,
    구조 물질이 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌, 폴리아세탈, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리우레탄 및 이들의 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택된 중합체인, 층.
  12. 재10항에 있어서,
    유착제가
    유착제 총 중량% 중 0.20 중량% 초과 내지 0.62 중량% 범위의 양으로 존재하는 코게이션 방지제;
    유착제 총 중량% 중 0.03 내지 0.10 중량% 범위의 양으로 존재하는 킬레이트제; 및
    유착제 총 중량% 중 0.30 내지 0.40 중량% 범위의 양으로 존재하는 살생물제
    를 추가로 포함하는, 층.
  13. 제10항에 있어서,
    공-용매가 300℃ 미만의 비점을 갖고, 2-피롤리딘온, 1,5-펜탄다이올, 트라이에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 2-메틸-1,3-프로판다이올, 1,6-헥산다이올 및 트라이프로필렌 글리콜 메틸 에터로 이루어진 군으로부터 선택되는, 층.
  14. 제10항에 있어서,
    계면활성제가 아세틸렌계 다이올 화학물질을 기재로 하는 자체-유화성 계면활성제이거나, 불소계 계면활성제, 및 아세틸렌계 다이올 화학물질을 기재로 하는 자체-유화성 계면활성제의 조합을 포함하는, 층.
  15. 제10항에 있어서,
    중합체 분산제가 스티렌 아크릴레이트 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 층.
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