KR20170116325A - A manufacturing method of filament for fused deposition modeling type three-dimensional printer - Google Patents

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신관우
김기훈
조대형
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서강대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 수지 압출 조형 방식의 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법에 관한 것으로, 상기 제조방법으로 제작한 3D 프린터용 필라멘트를 이용하면 다양한 크기의 기공이 존재하고 물에 녹인 후에도 단단한 성질을 유지하는 다공성 구조물을 출력할 수 있다.The present invention relates to a method for producing a filament for a three-dimensional printer using a resin extrusion molding method, and it is an object of the present invention to provide a method for producing a filament for a 3D printer using a filament for a 3D printer, The structure can be output.

Description

수지 압출 조형 방식의 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법{A manufacturing method of filament for fused deposition modeling type three-dimensional printer}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a filament for a three-dimensional printer using a resin extrusion molding method,

본 발명은 수지 압출 조형 방식의 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a filament for a three-dimensional printer using a resin extrusion molding method.

3D 프린터(three-dimensional printer)는 컴퓨터로 제작된 3차원 CAD에 따라 생산하고자 하는 구조를 신속하게 제작하는 장비를 의미한다. 3차원의 CAD에 따라 레이저 및 파우더를 활용하여 신속하게 조형하는 기술을 의미하는 RP(Rapid Prototyping)에서 유래하였으며, 또한 공식적인 기술 용어로는 적층 가공(Additive Manufacturing)이라고 일컬어지기도 한다.A 3D printer (three-dimensional printer) means a machine that rapidly constructs a structure to produce according to a computer-generated three-dimensional CAD. It is derived from RP (Rapid Prototyping), which means rapid molding by utilizing laser and powder according to three-dimensional CAD. In addition, it is also called "Additive Manufacturing" in official technical terms.

현재 다양한 방식의 3D 프린터가 시중에 존재하며, 적층 방식과 입체물 제조에 활용 가능한 재료에 따라 다양한 기술로 구분할 수 있다. 적층 방식은 압출(extrusion), 잉크젯의 분사, 광경화, 파우더 소결, 인발, 시트 접합 등으로 구분할 수 있으며, 활용 가능한 재료는 고분자, 금속, 종이, 목재, 식재료 등 매우 다양하다.Currently, various types of 3D printers exist in the market and can be classified into various technologies according to the materials that can be used for the lamination method and the three-dimensional material manufacturing. The lamination method can be classified into extrusion, ink jet injection, photo-curing, powder sintering, drawing, sheet joining, etc. The materials that can be utilized include polymers, metals, paper, wood, and food materials.

3D 프린터를 이용하면, 원재료의 소모가 더 적고, 공급라인(supply chain)이 더 짧아짐에 따라 화석연료의 사용을 줄일 수 있다. 아울러 과거의 제조기술로는 만들 수 없었던 3차원 물체를 제조할 수도 있다. 이러한 기술혁신의 물결은 새롭고 획기적인 설계방법을 통해 보다 더 향상된 품질의 주문제작을 가능하게 할 것이다.Using 3D printers can reduce the use of fossil fuels as they consume fewer raw materials and have shorter supply chains. In addition, it is possible to manufacture 3D objects that could not be created by past manufacturing techniques. This wave of technological innovation will enable better quality customization through new and innovative design methods.

시장규모로는 2012년 기준 22억 400만 달러에 이르렀으며, 2021년에는 108억 달러 규모에 이를 것으로 전망되고 있다. 또한, 2018년까지 세계 제조업체의 25% 이상이 3D 프린터를 도입할 것으로 전망된다. The market size is estimated to reach $ 224 million in 2012 and is expected to reach $ 10.8 billion in 2021. Also, by 2018, more than 25% of global manufacturers are expected to adopt 3D printers.

수지 압출 조형(fused Deposition Modeling, FDM) 방식의 3D 프린터는 가장 널리 쓰이는 방식의 3D 프린터로, 압출 구동방식으로 원재료인 열가소성 수지를 노즐 안에서 고온으로 녹여 얇은 필름 형태로 출력한다. FDM 방식의 3D 프린터는 다른 3D 프린터들에 비해 그 구동 원리가 간단하고, 유지보수의 비용이 저렴하며, 산업적으로 많은 개발이 이루어져 온 고분자 기반의 원재료가 쓰인다는 면에서 그 응용에 대한 가능성이 크다.Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printers are the most widely used 3D printers, and they extrude the thermoplastic resin, which is the raw material, in the nozzle at high temperature and output it in thin film form. FDM-based 3D printers have a simpler drive principle compared to other 3D printers, have lower maintenance costs, and are more likely to be applied in terms of polymer-based raw materials that have been developed in the industry .

원재료로 많이 이용되는 열가소성 수지에는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체(Acrylonitrile (butadiene styrene copolymer), ABS) 및 폴리락트산(Polylactic Acid, PLA)이 있다. 1.75 ㎜의 직경으로 만들어진 스풀(Spool) 형태의 필라멘트가 시중에 판매되고 있으며 이 외에도 다양한 기능성 필라멘트가 제조 및 판매되고 있다.Thermoplastic resins widely used as raw materials include acrylonitrile (butadiene styrene copolymer) (ABS) and polylactic acid (PLA). Spool-type filaments made with a diameter of 1.75 mm are commercially available and various functional filaments are manufactured and sold.

FDM 방식의 3D 프린터용 필라멘트를 제조하는 기술은 고온용융사출(Hot Melt Extrusion, HME) 방식으로, 기능성 필라멘트를 제조할 때에는 그 기능에 적합한 첨가물이 필라멘트에 균일하게 분산되어야 한다. 고분자와 첨가물이 가열 및 균일하게 혼합되면서 작은 지름의 구멍을 통하여 사출된다.Hot melt extrusion (HME) is a technique for producing a filament for an FDM type 3D printer, and when the functional filament is manufactured, an additive suitable for its function must be uniformly dispersed in the filament. The polymer and additives are heated and homogeneously mixed and injected through holes of small diameter.

일반적으로 다공성 재료란 체적의 15 내지 95% 정도가 기공으로 이루어진 재료를 말하며, 넓은 표면적 및 콜로이드 이하의 크기를 가진 분자들이 지나갈 수 있는 특성으로 인하여 여러 가지 화학반응에 있어 촉매로 활용된다. 또한, 각종 폐기물 처리 설비, 유해물질 제어 설비, 자동차용 매연 제거장치, 이차지 등의 핵심부재로서 개발 및 적용되고 있다. 필터, 흡착제 등으로도 이용되고 있으며, 기공을 가진 물질만의 특성을 이용하여 가볍고 기계적 성질이 훌륭한 소재를 만들 수 있다.Generally, a porous material is a material composed of pores of about 15 to 95% of the volume, and is used as a catalyst in various chemical reactions due to the property that molecules having a large surface area and colloidal size can pass through. Also, it has been developed and applied as a core member such as various waste disposal facilities, toxic substance control facilities, automobile soot removal equipment, and secondary sites. Filter, adsorbent, etc., and it is possible to make a material having excellent light and mechanical properties by using only the characteristics of pores.

본 발명의 일 양상은 3차원 프린터를 이용하여 다공성 표면을 가지는 구조물을 제작할 수 있는 기능성 필라멘트 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to provide a functional filament capable of producing a structure having a porous surface using a three-dimensional printer, and a method for manufacturing the functional filament.

본 발명의 다른 양상은 상기 필라멘트를 이용한 다공성 구조물의 제조방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing a porous structure using the filament.

본 발명의 일 측면에 따르면, 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물을 혼합하는 단계; 및 상기 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물의 혼합물을 사출기에 넣어 필라멘트를 사출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for producing a thermoplastic resin composition, comprising: mixing a thermoplastic resin and a pore-forming additive; And a step of injecting a mixture of the thermoplastic resin and the pore-forming additive into an injection machine to inject the filament.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제조방법에 의하여 제작된 3차원 프린터용 필라멘트 및 상기 필라멘트를 이용한 다공성 구조물의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a porous structure using a filament for a three-dimensional printer fabricated by the manufacturing method and the filament.

본 발명의 제조방법으로 제작한 3차원 프린터용 필라멘트를 이용하면 다양한 크기의 기공이 존재하고, 물에 녹인 후에도 단단한 성질을 유지하는 다공성 구조물을 출력할 수 있다.Using the filament for a three-dimensional printer manufactured by the manufacturing method of the present invention, porous structures having various sizes of pores and maintaining rigid properties even after dissolving in water can be output.

도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 필라멘트의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 PLA 펠릿만으로 사출한 필라멘트를 이용하여 출력한 구조물의 SEM 이미지이다.
도 3은 ABS 펠릿만으로 사출한 필라멘트를 이용하여 출력한 구조물의 SEM 이미지이다.
도 4는 PLA 펠릿 및 PVA의 혼합물로 사출한 필라멘트를 이용하여 출력한 구조물의 SEM 이미지이다.
도 5는 PLA 펠릿 및 PEO의 혼합물로 사출한 필라멘트를 이용하여 출력한 구조물의 SEM 이미지이다.
도 6은 PLA 펠릿 및 PEO의 혼합물로 사출한 필라멘트를 이용하여 출력한 구조물을 물로 세척하기 전의 SEM 이미지이다.
도 7은 ABS 펠릿 및 PEO 파우더의 혼합물로 사출한 필라멘트를 이용하여 출력한 구조물을 물로 세척한 후의 SEM 이미지이다.
도 8은 PLA 펠릿 및 HA 파우더의 혼합물로 사출한 필라멘트를 이용하여 출력한 구조물의 SEM 이미지이다.
도 9는 LAYFOMM40 필라멘트를 물로 세척한 후의 SEM 이미지이다.
도 10은 PLA 펠릿 및 PVA의 필라멘트로 출력한 구조물과 LAYFOMM40 필라멘트로 출력한 구조물의 물리적 특성을 비교한 이미지이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view illustrating a method of manufacturing a filament according to an embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 2 is an SEM image of a structure output using a filament injected only with PLA pellets.
3 is an SEM image of a structure output using a filament injected only with ABS pellets.
4 is an SEM image of a structure output using a filament injected with a mixture of PLA pellets and PVA.
5 is an SEM image of a structure output using a filament injected with a mixture of PLA pellets and PEO.
FIG. 6 is an SEM image of a structure output using a filament injected with a mixture of PLA pellets and PEO before washing with water.
FIG. 7 is an SEM image of a structure output using a filament injected with a mixture of ABS pellets and PEO powder after being washed with water.
8 is an SEM image of a structure output using a filament injected with a mixture of PLA pellets and HA powder.
9 is an SEM image of the LAYFOMM40 filament after washing with water.
10 is an image comparing the physical properties of a PLA pellet and a PVA filament output structure and a LAYFOMM40 filament output physical structure.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly explain the present invention, parts not related to the description are omitted, and like parts are denoted by similar reference numerals throughout the specification.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The terms used in this specification will be briefly described and the present invention will be described in detail.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Also, in certain cases, there may be a term selected arbitrarily by the applicant, in which case the meaning thereof will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term, not on the name of a simple term, but on the entire contents of the present invention.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.When an element is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements, without departing from the spirit or scope of the present invention.

본 발명의 일 측면에 따르면, 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물을 혼합하는 단계 및 상기 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물의 혼합물을 사출기에 넣어 필라멘트를 사출하는 단계를 포함하는 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a filament for a three-dimensional printer, comprising the steps of: mixing a thermoplastic resin and a pore-forming additive; and injecting a mixture of the thermoplastic resin and a pore- / RTI >

본 발명의 용어, "열가소성 수지(thermoplastic)"는 열을 가하면 연화되어 용융이 일어나고 냉각하면 다시 고화되는 플라스틱을 말하며, 약한 분자간 힘으로 상호작용하는 고분자 화합물에 의하여 생성된다. 대표적인 예로 스티로폼의 원료인 폴리스티렌(polystyrene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로피렌(polypropylene) 및 폴리염화비닐(polyvinyl chloride) 등이 있다.The term "thermoplastic" of the present invention refers to a plastic which is softened by heat and melted and solidified again upon cooling, and is produced by a polymer compound that interacts with a weak intermolecular force. Typical examples are polystyrene, polyethylene, polypropylene, and polyvinyl chloride, which are raw materials for styrofoam.

본 발명의 용어, "기공 형성용 첨가물"은 필라멘트의 기본 재료인 열가소성 수지 이외에 기공을 형성할 수 있는 부가적인 물질을 말하며, 수용성 고분자 또는 무기물 등이 사용될 수 있다. 첨가물로 수용성 고분자를 이용한 필라멘트로 구조물을 출력한 경우에는 구조물을 물에 침지하여 수용성 고분자를 용해시킴으로써 기공을 만들 수 있고, 첨가물로 무기물을 이용한 필라멘트의 경우에는 3차원 프린터로 구조물을 출력하는 것으로 기공을 형성시킬 수 있다.The term "pore-forming additive " of the present invention refers to an additive material capable of forming pores in addition to a thermoplastic resin that is a basic material of the filament, and a water-soluble polymer or an inorganic material may be used. In the case of outputting a structure using a water-soluble polymer as an additive, pores can be formed by dissolving a water-soluble polymer by immersing the structure in water, and in the case of a filament using an inorganic substance as an additive, Can be formed.

본 발명의 용어, "사출기(extruder)"는 원재료를 녹여서 주형틀에 주입하여 원하는 형태로 성형하는 장치를 말하며, FDM 방식의 3D 프린터용 필라멘트 제조에는 고온용융사출(hot melt extrusion, HME) 기술이 이용된다. 기능성 필라멘트를 제조할 때에는 그 기능에 적합한 첨가물이 필라멘트에 균일하게 분산되어야 하며, 고분자와 첨가물이 가열 및 균일하게 혼합되면서 작은 지름의 구멍을 통하여 필라멘트가 사출된다. 본 발명에서 사용한 플라스틱 사출기는 시중에 판매되는 제품 중 어느 것을 사용하여도 무방하다.The term "extruder " of the present invention refers to a device for melting a raw material and molding it into a desired shape by injection into a flask. Hot melt extrusion (HME) . When the functional filament is produced, additives suitable for the function should be uniformly dispersed in the filament, and the filament is injected through a hole having a small diameter while heating and uniformly mixing the polymer and the additive. The plastic injection machine used in the present invention may be any of commercially available products.

본 발명의 용어, "3차원 프린터(three-dimension printer, 3D 프린터)"는 액체, 파우더 형태의 수지, 금속 등의 재료를 가공하여 적층하는 방식으로 입체물을 제조하는 장비를 말하며, 일 구체예에 따르면 수지 압출 조형(fused deposition modeling, FDM) 방식의 3D 프린터일 수 있다. "수지 압출 조형 방식"이란 필라멘트 형태의 열가소성 물질을 노즐 안에서 녹여 얇은 필름 형태로 출력하여 적층하는 방식을 말하며, 노즐은 플라스틱을 녹일 수 있을 정도의 고열을 발산하고, 발산된 플라스틱은 상온에서 경화된다.The term "three-dimensional printer (3D printer)" according to the present invention refers to a device for manufacturing a three-dimensional object by processing materials such as liquid, powder- May be a 3D printer based on fused deposition modeling (FDM). The term "resin extrusion molding method" refers to a method in which a filament-type thermoplastic material is melted in a nozzle and laminated in a thin film form, the nozzle radiates a high heat to melt the plastic, and the emitted plastic hardens at room temperature .

본 발명의 용어, "필라멘트(filament)"는 열가소성 수지를 기반으로 하여 사출기를 통하여 사출된 실 모양의 3D 프린터용 소재를 의미하며, 주로 1.75 ㎜의 직경으로 제작된 필라멘트가 이용된다.The term "filament " of the present invention means a yarn-shaped 3D printer material injected through an injection machine based on a thermoplastic resin, and a filament made mainly with a diameter of 1.75 mm is used.

본 발명의 일 구체예에 따르면 상기 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물을 혼합하는 단계는 오일을 첨가하여 이루어질 수 있으며, 오일은 기공 형성용 첨가물이 열가소성 수지의 표면에 균일하게 부착하는 것을 돕는 역할을 한다.According to one embodiment of the present invention, the step of mixing the thermoplastic resin and the pore-forming additive may be performed by adding oil, and the oil serves to help the pore-forming additive uniformly adhere to the surface of the thermoplastic resin .

본 발명의 일 구체예에 따르면 상기 오일은 파라핀 오일, 실리콘 오일 및 식용유(edible oil)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 파라핀 오일을 이용하는 것이 바람직하다.According to one embodiment of the present invention, the oil may be at least one selected from the group consisting of paraffin oil, silicone oil and edible oil, but is not limited thereto, and paraffin oil is preferably used.

본 발명의 일 구체예에 따르면 상기 오일은 열가소성 수지 중량의 1배 내지 5배의 중량비로 첨가될 수 있으며, 파라핀 오일을 사용하는 경우 열가소성 수지 20g에 파라핀 오일 100㎕를 첨가할 수 있다. 오일을 열가소성 수지 중량의 1배보다 적게 첨가할 경우 열가소성 수지에 기공 형성용 첨가물이 충분히 부착하지 못하여 기공이 제대로 형성되지 않을 수 있으며, 5배를 넘게 첨가할 경우 펠릿들이 사출기에 달라붙어 필라멘트 사출이 어려워질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the oil may be added at a weight ratio of 1 to 5 times the weight of the thermoplastic resin, and when paraffin oil is used, 100 파라 of paraffin oil may be added to 20 g of the thermoplastic resin. When the oil is added in an amount less than 1 part by weight of the thermoplastic resin, pores may not be formed properly due to insufficient attachment of the pore forming additive to the thermoplastic resin. If the oil is added more than 5 times, the pellets stick to the injection machine, It can be difficult.

일 구체예에 따르면 상기 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물을 혼합하는 단계는, 펠릿 형태의 열가소성 수지에 오일이 코팅되도록 혼합하는 단계, 및 상기 오일이 코팅된 펠릿 형태의 열가소성 수지에 파우더 형태의 상기 기공 형성용 첨가물이 부착되도록 혼합하는 단계로 이루어질 수 있다.According to one embodiment, the step of mixing the thermoplastic resin and the pore-forming additive may include mixing the pellet-shaped thermoplastic resin so that the oil is coated on the pellet-shaped thermoplastic resin, and mixing the thermoplastic resin with the pore- And mixing the additives for formation so as to be adhered.

일 구체예에 따르면 상기 열가소성 수지는 폴리락트산(polylactic acid, PLA), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리에틸테레프탈레이트 (poly)ethylene terephthalage), 폴리프로필렌 (Polypropylene), 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리메타메틸아크릴래이트(polymethamethylacrylate), 및 폴리카보네이트 (polycarbonate, PC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 최근 화학적인 교차결합(cross-linking)이 되지 않은 폴리우레탄(polyurethane)도 열가소성 수지로 3D 프린팅 필라멘트로 사용되고 있다.According to one embodiment, the thermoplastic resin is selected from the group consisting of polylactic acid (PLA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polyethylene (PE), polyethyl terephthalate (ethylene terephthalate), poly But is not limited to, at least one selected from the group consisting of polypropylene, polystyrene, polymethamethylacrylate, and polycarbonate (PC). Recently, chemical cross-linking polyurethanes have also been used as 3D printing filaments in thermoplastic resins.

일 구체예에 따르면 상기 기공 형성용 첨가물은 수용성 고분자군인 폴리비닐 알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide, PEO), 저분자체인 폴리에틸렌글라이콜(Polyethyleneglycol) 및 하이드록시 아파타이트로 이루어진 군, 또는 극성(charge)을 갖고 있는 폴리이온군, 예를 들면 폴리스티렌술폰산 (polystyrene sulfonate acid), 폴리아크릴산 (poly acrylic acid) 등이 포함될 수 있다. 이와 같이 고분자 열 가소성 수지와 열적 혼합이 되면서 수용성 용매에 의하여 분리 제거될 수 있는 염(salt)과 같은 물질도 동일한 방법으로 제작이 가능하다. 따라서, 기공 형성용 첨가물은 수용성 고분자기, 이온기, 염을 포함하는 복합체로 결합된 물질일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 상기 기공 형성용 첨가물은 수용성 고분자 및 무기화합물 각각 또는 이들을 혼합하여 이용할 수 있으며, 첨가물의 종류에 따라 3D 프린터로 출력한 구조물에 형성되는 기공의 크기 및 분포가 달라질 수 있다.According to one embodiment, the pore-forming additive may be a water soluble polymer group such as polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide (PEO), a low molecular weight polyethylene glycol, and hydroxyapatite, Or a group of polyion having a charge, for example, polystyrene sulfonate acid, poly acrylic acid, or the like. A material such as a salt that can be separated and removed by a water-soluble solvent while being thermally mixed with the thermoplastic resin can be manufactured by the same method. Thus, the pore-forming additive may be, but not limited to, a material combined with a complex comprising a water-soluble polymer, ionic group, or salt. The pore-forming additive may be a mixture of water-soluble polymer and inorganic compound or a mixture thereof. Depending on the type of the additive, the size and distribution of the pores formed in the structure output to the 3D printer may be varied.

일 구체예에 따르면 상기 필라멘트를 사출하는 단계는 사출속도는 20 내지 100 RPM, 바람직하게는 40 내지 80 RPM, 더욱 바람직하게는 50 내지 70 RPM에서 이루어질 수 있으며, 사출온도는 120 내지 300, 바람직하게는 150 내지 250에서 이루어질 수 있다. 상기 사출온도가 120 이하로 내려가는 경우 필라멘트의 사출속도가 점점 줄어들거나, 필라멘트가 사출되지 않게 된다. 사출온도가 300 이상인 경우 사출되는 필라멘트가 점점 더 얇아지며, 결국 중력을 이기지 못하고 끊어지는 현상이 발생한다.According to one embodiment, the step of injecting the filament may be carried out at an injection speed of 20 to 100 RPM, preferably 40 to 80 RPM, more preferably 50 to 70 RPM, an injection temperature of 120 to 300, Lt; RTI ID = 0.0 > 150 < / RTI > When the injection temperature is lowered to 120 or lower, the injection speed of the filament gradually decreases or the filament is not injected. If the injection temperature is higher than 300, the filament that is injected becomes thinner and eventually breaks without being able to win the gravity.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 제조방법에 의하여 제작된 3차원 프린터용 필라멘트가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a filament for a three-dimensional printer manufactured by the manufacturing method of the present invention.

일 구체예에 따르면 상기 필라멘트는 1.0 ㎜ 내지 2.5 ㎜의 직경을 가질 수 있으며, 1.5 ㎜ 내지 2.0 ㎜의 직경을 가지는 것이 더욱 바람직하다.According to one embodiment, the filament may have a diameter of 1.0 mm to 2.5 mm, more preferably a diameter of 1.5 mm to 2.0 mm.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 필라멘트를 이용하여 3차원 프린터로 구조물을 출력하는 단계 및 상기 출력한 구조물을 물에 침지시켜 기공 형성용 첨가물을 용해시키는 단계를 포함하는 다공성 구조물의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a process for producing a three-dimensional printer, comprising the steps of: outputting a structure to a three-dimensional printer using a filament produced by the method of the present invention; and dipping the output structure into water to dissolve the pore- The present invention also provides a method of manufacturing a porous structure including the porous structure.

본 발명의 용어, "다공성 구조물"이란 물체의 표면 또는 내부에 작은 빈틈, 즉 기공을 많이 가진 구조물을 말하며, 표면적과 비교하여 넓은 면적의 빈 공간을 가지는 특성을 이용하여 필터, 인공 생체재료, 약물 전달체 등 다양한 용도에 이용되고 있다.The term "porous structure" in the present invention refers to a structure having a small number of small voids, that is, a large number of voids on the surface or inside of an object. By using a property having a large void volume as compared with the surface area, And is used for various purposes such as a carrier.

일 구체예에 따르면 상기 3차원 프린터는 FDM 방식을 이용하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않는다.According to one embodiment, the three-dimensional printer preferably uses an FDM method, but is not limited thereto.

일 구체예에 따르면 기공 형성용 첨가물로 폴리비닐 알코올 또는 폴리에틸렌 옥사이드를 이용한 필라멘트로 구조물을 출력한 경우, 구조물을 물에 침지하여 상기 폴리비닐 알코올 또는 폴리에틸렌 옥사이드를 용해시키면 다공성 구조물을 수득할 수 있다. According to one embodiment, when a structure is output by a filament using polyvinyl alcohol or polyethylene oxide as an additive for pore formation, a porous structure can be obtained by immersing the structure in water to dissolve the polyvinyl alcohol or polyethylene oxide.

이하 하나 이상의 구체예를 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 하나 이상의 구체예를 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, one or more embodiments will be described in more detail by way of examples. However, these embodiments are intended to illustrate one or more embodiments, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

실시예Example 1: 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물의 혼합 1: Mix of thermoplastic resin and pore forming additive

필라멘트를 제작하기 위하여 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물을 하기와 같은 방법으로 혼합하였다.The thermoplastic resin and the pore-forming additive were mixed in the following manner to prepare the filament.

구체적으로, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 중합체(Acrylonitrile (butadiene styrene copolymer), ABS) 펠릿 또는 폴리락트산(Polylactic Acid, PLA) 펠릿 20 g에 파라핀 오일(Paraffin oil) 20 ㎕를 첨가하여 펠릿의 모든 표면에 파라핀 오일이 묻을 수 있도록 충분히 흔들어 주었다. 이후 기공 형성용 첨가물로 폴리비닐 알코올(Polyvinyl alcohol, PVA) 파우더, 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide, PEO) 파우더 또는 하이드록시 아파타이트 (hydroxyl apatite, HA) 파우더 4 g을 각각 첨가하여 ABS 펠릿 또는 PLA 펠릿의 표면에 최대한 많은 양이 부착될 수 있도록 충분히 혼합하였다. 파우더의 함량이 열가소성 수지의 20%를 넘는 경우 기공은 많아지지만 3차원 프린팅의 결과인 구조물의 질이 떨어지게 된다.Specifically, 20 μl of paraffin oil was added to 20 g of an acrylonitrile (butadiene styrene copolymer) ABS pellet or a polylactic acid (PLA) pellet to deposit paraffin I gave it enough to shake the oil. 4 g of a polyvinyl alcohol (PVA) powder, a polyethylene oxide (PEO) powder or a hydroxyl apatite (HA) powder was added as an additive for pore formation to prepare ABS pellets or PLA pellets As much as possible. When the content of the powder exceeds 20% of the thermoplastic resin, the pores are increased but the quality of the structure resulting from the three-dimensional printing is lowered.

사용한 ABS 펠릿 및 PLA 펠릿 은 Filabot(미국)에서 구매하였고, PVA 파우더(평균 분자량 89,000 내지 998,000, Product Number 341584), PEO 파우더(평균 분자량 900,000, Product Number 189456), HA 파우더 및 파라핀 오일(Product Number 76235)은 Sigma-Aldrich(미국)에서 구매하였다.The ABS pellets and PLA pellets used were purchased from Filabot (USA) and were mixed with PVA powder (average molecular weight 89,000 to 998,000, Product Number 341584), PEO powder (average molecular weight 900,000, Product Number 189456), HA powder and paraffin oil ) Were purchased from Sigma-Aldrich (USA).

필라멘트의 개략적인 제조 공정을 도 1에 도시하였다(도 1). A schematic manufacturing process of the filament is shown in Fig. 1 (Fig. 1).

실시예Example 2: 필라멘트 사출 및 구조물 출력 2: Filament injection and structure output

상기 실시예 1에서 혼합한 열가소성 수지 및 첨가물의 혼합물을 플라스틱 사출기(extruder)에 넣은 후, 사출속도는 60 RPM, 사출온도는 첨가물로 PVA 파우더를 사용한 경우 230℃, PEO 또는 HA 파우더를 사용한 경우에는 170℃의 조건에서 1.75 ㎜ 직경으로 필라멘트를 사출시켰다.The mixture of the thermoplastic resin and the additive mixed in Example 1 was put into a plastic extruder and then injection rate was 60 RPM and injection temperature was 230 ° C. when PVA powder was used as an additive and when PEO or HA powder was used The filament was injected at a temperature of 170 DEG C with a diameter of 1.75 mm.

이후 상기 사출된 필라멘트 및 Autodesk의 3ds Max 소프트웨어를 이용하여 FDM 방식의 MakerBot Replicator 2X(미국) 3D 프린터로 10x50x10 ㎣ 크기의 직육면체 상자를 출력하였다.Then, using the injected filament and Autodesk's 3ds Max software, a rectangular box with a size of 10x50x10 mm was output to a FDM-based MakerBot Replicator 2X (USA) 3D printer.

실시예Example 3: 출력한 구조물의 기공 확인 3: Checking the pore of the output structure

기공 형성용 첨가물로 수용성 고분자인 PVA 파우더 또는 PEO 파우더를 이용한 경우 1 시간 동안 소니케이션(sonication)한 후, 상온의 물에 24 시간 동안 담가 수용성 고분자 분말을 용해시켰다. 첨가물로 무기화합물인 HA를 이용한 경우에는 상기 과정을 거치지 않고 바로 기공을 확인하였다.When PVA powder or PEO powder, which is a water-soluble polymer, was used as the pore-forming additive, the water-soluble polymer powder was dissolved by dissolving in water at room temperature for one hour after sonication. In the case of using an inorganic compound HA as an additive, pores were confirmed immediately without the above process.

주사전자현미경(Scanning electron microspy, SEM)을 이용하여 배율을 달리하면서 상기 실시예 2에서 출력한 직육면체 상자의 기공을 확인하였다.The pores of the rectangular parallelepiped box outputted in Example 2 were observed while varying the magnification using a scanning electron microscope (SEM).

3-1. 3-1. PLAPLA 펠릿 필라멘트로 사출한 구조물 Structures injected with pellet filaments

SEM 확인 결과, 아무런 첨가물을 추가하지 않고 PLA 펠릿으로 사출한 필라멘트를 이용하여 출력한 직육면체 상자의 경우 표면이 매끈하여 기공이 전혀 생성되지 않은 것을 확인할 수 있었다(도 2; 도2a는 x150 및 도 2b는 x1000). 반면, PLA 펠릿에 PVA 파우더를 첨가한 필라멘트로 출력한 직육면체 상자의 경우 표면 형태가 불규칙한 모습을 보였고, 표면에 다양한 크기의 기공이 형성된 것을 확인할 수 있었다(도 3; 도 3a는 x150, 도 3b 및 도 3c는 x1000). 또한 PEO 파우더를 첨가한 필라멘트로 출력한 경우에도 기공이 존재하는 것을 확인하였다(도 4; 도 4a는 x1000, 도 4b는 x3000).As a result of the SEM check, it was confirmed that the rectangular parallelepiped box output using the filament injected into the PLA pellet without adding any additives was smooth and the pores were not generated at all (FIG. 2; FIG. X1000). On the other hand, in the case of the rectangular parallelepiped box output from the filament with the PVA powder added to the PLA pellet, the surface shape was irregular, and it was confirmed that various sizes of pores were formed on the surface (FIG. 3: x150, 3C is x1000). Also, it was confirmed that pores were present even when the filaments were added with PEO powder (Fig. 4; Fig. 4A is x1000 and Fig. 4B is x3000).

3-2. ABS 펠릿 필라멘트로 사출한 구조물3-2. Structures injected with ABS pellet filament

ABS 펠릿으로 사출한 필라멘트로 출력한 직육면체 상자도 기공이 없는 것을 확인하였다(도 5; 도 5a 및 도 5b는 x150).It was confirmed that the rectangular parallelepiped box output from the filament injected with the ABS pellet also had no pores (Fig. 5; Figs. 5A and 5B show x150).

반면, ABS 펠릿에 PEO 파우더를 첨가한 필라멘트로 출력한 직육면체 상자의 경우 물에 PEO를 용해시키기 전에는 기공을 확인할 수 없었으나(도 6; 도 6a, 도 6b 및 도 6c는 x150, 도 6d는 x500), 물에 PEO를 용해시킨 후에는 표면에 기공이 형성된 것을 확인할 수 있었다(도 7; 도 7a는 x150, 도 7b 및 7c는 x400, 도 7d는 x1000).On the other hand, in the case of the rectangular parallelepiped box output from the filament with the PEO powder added to the ABS pellet, the pores could not be confirmed before dissolving the PEO in the water (Fig. 6A, 6B and 6C show x150 and Fig. ), It was confirmed that pores were formed on the surface after dissolving PEO in water (Fig. 7; Fig. 7A is x150, Figs. 7B and 7C are x400 and Fig. 7D is x1000).

또한, PLA 펠릿에 HA 파우더를 첨가한 필라멘트로 출력한 직육면체 상자의 경우에도 상기 두 파우더와 마찬가지로 기공이 형성된 것을 확인할 수 있었다(도 8; 도 8a 및 도 8b는 x150, 도 8c 및 도 8d는 x1000).In addition, it was confirmed that pores were formed in the rectangular parallelepiped boxes output from the filaments with the HA powder added to the PLA pellets, similarly to the two powders (Fig. 8; Figs. 8A and 8B show x150, Fig. 8C, ).

비교예Comparative Example 1:  One: LAYFOMM40LAYFOMM40 필라멘트와의 비교 Comparison with filaments

시중에서 FDM 방식의 3D 프린터를 이용하여 다공성 구조물을 출력할 수 있는 필라멘트로 알려진 Poro-lay series의 LAYFOMM40 필라멘트를 물로 세척한 후에 SEM으로 확인하였다. 그 결과, 150배 내지 1,000배의 배율로 관찰하였음에도 불구하고 필라멘트에서 기공을 발견할 수 없었다(도 9; 도 9a 및 도 9b는 x150, 도 9c는 x500, 도 9d는 x1000).LAYFOMM40 filaments of the Poro-lay series, known as filaments capable of outputting porous structures using FDM-type 3D printers, were washed with water and confirmed by SEM. As a result, pores were not found in the filament even though they were observed at a magnification of 150 to 1,000 times (Fig. 9; x150 in Figs. 9A and 9B, x500 in Fig. 9C, x1000 in Fig.

또한, 본 발명의 PLA 펠릿에 PVA 파우더를 첨가한 필라멘트로 출력한 직육면체 상자와 LAYFOMM40 필라멘트로 출력한 구조물의 물리적 특성을 비교한 결과, LAYFOMM40 필라멘트로 출력한 구조물은 쉽게 휘어지는 유연한 성질을 가지고 있지만, 본 발명의 직육면체 상자는 물에 녹인 후에도 단단한 성질을 유지하여 물리적 성질에 차이가 있는 것을 확인하였다(도 10; 도 10a 및 10b는 PLA+PVA 필라멘트, 도 10c및 10d는 LAYFOMM40 필라멘트).As a result of comparing the physical properties of the rectangular parallelepiped box output with the filament with PVA powder added to the PLA pellet of the present invention and the structure output with the LAYFOMM 40 filament, the structure output by the LAYFOMM 40 filament has a flexible property of bending easily, 10A and 10B show the PLA + PVA filaments, and FIGS. 10C and 10D show the LAYFOMM 40 filament). FIG.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (11)

3차원 프린터용 필라멘트의 제조에 있어서,
열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물을 혼합하는 단계; 및
상기 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물의 혼합물을 사출기에 넣어 필라멘트를 사출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법.
In the production of a filament for a three-dimensional printer,
Mixing the thermoplastic resin and the pore-forming additive; And
And injecting a filament by putting a mixture of the thermoplastic resin and the pore-forming additive into an injection machine.
제1항에 있어서,
상기 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물을 혼합하는 단계는 오일을 첨가하여 상기 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물을 혼합하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of mixing the thermoplastic resin and the pore-forming additive comprises mixing the thermoplastic resin and the pore-forming additive by adding oil.
제2항에 있어서,
상기 열가소성 수지 및 기공 형성용 첨가물을 혼합하는 단계는,
펠릿 형태의 상기 열가소성 수지에 오일이 코팅되도록 혼합하는 단계; 및
상기 오일이 코팅된 펠릿 형태의 열가소성 수지에 파우더 형태의 상기 기공 형성용 첨가물이 부착되도록 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The step of mixing the thermoplastic resin and the pore-
Mixing the thermoplastic resin in the form of pellets so that the oil is coated; And
And mixing the pellet-shaped thermoplastic resin coated with the oil so that the pore-forming additive in powder form is adhered to the pellet-shaped thermoplastic resin coated with the oil.
제2항에 있어서,
상기 오일은 파라핀 오일, 실리콘 오일 및 식용유로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the oil is at least one selected from the group consisting of paraffin oil, silicone oil and cooking oil.
제2항에 있어서,
상기 오일은 열가소성 수지 중량의 1배 내지 5배의 중량비로 첨가되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the oil is added at a weight ratio of 1 to 5 times the weight of the thermoplastic resin.
제1항에 있어서,
상기 열가소성 수지는 폴리락트산, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 고밀도 폴리에틸렌 및 폴리카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thermoplastic resin is at least one selected from the group consisting of polylactic acid, acrylonitrile-butadiene styrene, high-density polyethylene, and polycarbonate.
제1항에 있어서,
상기 기공 형성용 첨가물은 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 옥사이드 및 하이드록시 아파타이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the pore-forming additive is at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, and hydroxyapatite.
제1항에 있어서,
상기 사출하는 단계는 사출속도 20 내지 100 RPM 및 사출온도 120℃ 내지 300℃의 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 필라멘트의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of injecting is performed at an injection speed of 20 to 100 RPM and an injection temperature of 120 to 300 캜.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조된 3차원 프린터용 필라멘트.
A filament for a three-dimensional printer produced by the method of any one of claims 1 to 8.
제9항에 있어서,
상기 필라멘트는 1.0 ㎜ 내지 2.5 ㎜의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터용 필라멘트.
10. The method of claim 9,
Wherein the filament has a diameter of 1.0 mm to 2.5 mm.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조된 필라멘트를 이용하여 3차원 프린터로 구조물을 출력하는 단계; 및
상기 출력한 구조물을 물에 침지시켜 필라멘트의 기공 형성용 첨가물을 용해시키는 단계를 포함하는 다공성 구조물의 제조방법.9. A method of manufacturing a three-dimensional printer, comprising: outputting a structure to a three-dimensional printer using filaments produced by the method of any one of claims 1 to 8; And
And dipping the output structure in water to dissolve the pore-forming additive of the filament.
KR1020160043897A 2016-04-11 2016-04-11 A manufacturing method of filament for fused deposition modeling type three-dimensional printer KR20170116325A (en)

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