KR20200088193A - 적층형 건축 외장패널 및 조형물 제조를 위한 3d 프린팅용 시멘트계 조성물 및 제조방법 - Google Patents

적층형 건축 외장패널 및 조형물 제조를 위한 3d 프린팅용 시멘트계 조성물 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비정형 3D 프린팅 건축 외장패널 및 조형물의 적층시 안정적으로 형상을 유지할 수 있도록 한 적층형 건축 외장패널 및 조형물 제조를 위한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물 및 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 시멘트 20~60중량%, 플라이애시 5~20중량%, 실리카샌드 8호사 30~70중량%의 분말과 EVA 분말수지 1~10중량%, 메칠셀룰로우즈 0.5~3중량%, 칼슘포메이트 분말 0.5~3중량%, 카르복실 유동화제 분말 0.1~2중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

적층형 건축 외장패널 및 조형물 제조를 위한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물 및 제조방법{Cement-based composition and additive manufacturing method for 3D printing architectural exterior finishing materials}
본 발명은 3D 프린팅용 시멘트계 조성물 및 제조방법에 관한 것으로, 특히 비정형 3D 프린팅 건축 외장패널 및 조형물의 적층시 안정적으로 형상을 유지할 수 있도록 한 적층형 건축 외장패널 및 조형물 제조를 위한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물 및 제조방법에 관한 것이다.
건축분야 3D 프린팅 기술분야는 구조재와 내·외장재로 구분되며 또한 이를 구성하는 소재 및 복합재료 분야와 연관이 크며 3D 프린팅 기술은 건축산업과 관련하여 다양한 분야에서 적용이 가능하며 기존의 제조공정을 변화시킬 수 있는 주요 기술로 인식되고 있다. 3D 프린팅 기술 중 구조재 부분은 3D 프린팅에 적합한 소재를 배합하여 압출하여 적층하는 방식으로 이루어지며 한 층씩 쌓아서 구조체가 되는 벽을 연속적으로 쌓아올린다. 일반적으로 소형자재의 경우 적층제조 기술과 디자인, 경제성, 생산성을 만족하는 자재의 보급과 대형자재는 구조적인 보강재를 적용하여 적층하여 하나의 구조체로 형성하게 된다.
3D 프린팅 소재는 소재의 화학조성, 열물리적 특성과 3D 프린팅 공정기술의 원리 및 소재의 물리적 형상에 따라 구분한다. 일반적으로 소형 자재의 경우 적층제조기술과 생산기술을 연계하여 디자인, 경제성, 생산성을 만족하도록 하며 대형 자재의 경우는 소품과 보강재 개념이 부족하므로 강도, 경제성이 확보되는 적층제조기술 개발이 요구되지만 아직 적당한 수준의 적층제조기술이 마련되지 못하고 있는 상황이다.
한국공개특허공보 제2017-0141348호(2017.12.26.)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 비정형 3D 프린팅 건축 외장패널 및 조형물의 적층시 안정적으로 형상을 유지할 수 있도록 한 적층형 건축 외장패널 및 조형물 제조를 위한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물 및 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물은 적층형 건축 외장패널 및 조형물 제조를 위한 것으로서, 시멘트 20~60중량%, 플라이애시 5~20중량%, 실리카샌드 8호사 30~70중량%의 분말과 EVA 분말수지 1~10중량%, 메칠셀룰로우즈 0.5~3중량%, 칼슘포메이트 분말 0.5~3중량%, 카르복실 유동화제 분말 0.1~2중량%를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트와 백색 포틀랜드 시멘트를 혼합하여 사용하거나 백색 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 플라이애시는 메타카올린 및 실리카퓸 분말 중 적어도 하나를 첨가하여 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 플라이애시는 점도 조절 및 강도 증진을 위해 미분으로 분쇄한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 실리카샌드는 점도 조절을 위해 미분으로 분쇄한 것을 특징으로 하는 도의 조절 등을 위해 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 EVA 분말수지는 시멘트 혼화용 수성 폴리머 및 재유화형 분말수지 중 적어도 하나를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이같은 본 발명의 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에 물을 혼합한 후 믹싱하여 페이스트를 만들고, 직경 3~10mm의 노즐을 갖는 3D 프린터를 이용하여 한 층씩 적층하면 필요로 하는 건축재를 만들 수 있다.
한편, 본 발명의 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 제조방법은, 시멘트 20~60중량%, 플라이애시 5~20중량%, 실리카샌드 8호사 30~70중량%의 분말과 EVA 분말수지 1~10중량%, 메칠셀룰로우즈 0.5~3중량%, 칼슘포메이트 분말 0.5~3중량%, 카르복실 유동화제 분말 0.1~2중량%를 혼합하여 제조하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에 의한 적층형 건축 외장패널 및 조형물 제조를 위한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물 및 제조방법은 비정형 3D 프린팅 건축 외장패널 및 조형물의 적층시 안정적으로 형상을 유지할 수 있다.
본 발명에 의한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물은 4차 산업혁명의 핵심적 요소로 적층형 제조와 관련하여 활용범위가 넓기 때문에 관련 신기술 확보가 가능하고 관련 제품 개발 및 상업화에 따른 국내 제반 기술력을 증대할 수 있으며 국내 고유 기술 개발에 의한 세계적 수준의 선도 기술 확보를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물을 사용하여 적층방식으로 3D 프린팅한 샘플 사진
도 2는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물 원료 직경 크기를 나타낸 그래프
도 3은 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 각 시험체별 유동성 비교 그래프
도 4는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 각 시험체별 밀도 비교 그래프
도 5는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 각 시험체별 압축강도 비교 그래프
도 6a 내지 도 6c는 유동실험을 통한 시멘트계 조성물의 각 시험체의 비교 사진 및 플로값
도 7은 적층실험을 통한 시멘트계 조성물의 각 시험체의 비교 사진
도 8은 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 각 시험체 시리즈의 유동성 비교 그래프
도 9는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 각 시험체 시리즈의 압축강도 비교 그래프
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
<실시예>
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물은 적층형 건축 외장패널 및 조형물을 제조하기 위한 것으로 3D 프린터에 의해 비정형 3D 프린팅 건축 외장패널 및 조형물의 적층시 안정적으로 형상을 유지할 수 있도록 한 것이다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물은 시멘트 20~60중량%, 플라이애시 5~20중량%, 실리카샌드 8호사 30~70중량%의 분말과 EVA 분말수지 1~10중량%, 메칠셀룰로우즈 0.5~3중량%, 칼슘포메이트 분말 0.5~3중량%, 카르복실 유동화제 분말 0.1~2중량%를 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트와 백색 포틀랜드 시멘트를 혼합하여 사용하거나 백색 포틀랜드 시멘트를 사용할 수 있다. 상기 시멘트의 사용량이 20중량% 미만이면 압축강도의 발현이 되지 않아 내구성이 크게 저하되며, 60중량%를 초과하면 다른 성분들을 충분한 양으로 혼합하는데 지장을 준다.
상기 플라이애시는 조성물에 유동성을 부여하는데 중요한 역할을 하며 이를 극대화하기 위해 메타카올린 및 실리카퓸 분말 중 적어도 하나를 첨가하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 플라이애시는 점도 조절 및 강도 증진을 위해 미분으로 분쇄하는 것이 좋다. 상기 플라이애시의 혼합비가 5중량% 미만이면 제조시 유동성이 저하되며, 20중량%를 초과하게 되면 강도의 저하를 초래할 수 있다.
상기 실리카샌드 8호사는 혼합비가 40중량% 미만이면 수축이 발생하며, 70중량%를 초과하면 강도 저하를 초래하며 충분히 혼합되지 않는다. 상기 실리카샌드는 0.05~0.17mm의 평균입경을 갖는 고운입자로 사용되어야 하며 굵은 입자는 표면이 거칠고 적층에 불리하다.
S/C비는 1:1로 설정하였으며 1:1이상 사용 시 배합 및 반죽에 불리하다.
상기 EVA 분말수지는 혼합비가 1중량% 미만이면 내구성이 저하되며 10중량%를 초과하면 강도가 저하된다. 상기 EVA 분말수지는 시멘트 혼화용 수성 폴리머 및 재유화형 분말수지 중 적어도 하나를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 메칠셀룰로우즈는 시멘트 반죽의 점도를 증가시켜 적층에 유리하도록 해주는 용도로 사용되며 혼합비가 0.5중량% 미만인 경우 반죽의 점도가 크게 증진되지 않고, 3중량%를 초과하면 점도가 과도하게 높아져서 반죽이 잘 되지 않는다.
상기 칼슘포메이트는 시멘트 반죽의 응결을 촉진시키는 화학 혼화제로 적층을 위해 응결시간 조절을 위해 포함된다. 상기 칼슘포메이트는 혼합비가 0.5중량% 미만이면 응결시간의 단축이 잘 이루어지지 않으며 3중량%를 초과하면 급결현상으로 반죽이 어려워진다.
상기 카르복실 유동화제는 시멘트 반죽의 유동성 확보를 위해 혼합된다. 상기 카르복실 유동화제의 혼합비는 0.1중량% 미만이면 반죽의 유동성이 저하되어 압출이 어렵고, 2중량%를 초과하면 반죽이 풀어져 재료분리가 발생한다.
상기 주요성분들에 더해 경량성을 극대화하기 위해 경량중공실리카를 추가로 혼합할 수 있다. 상기 경량중공실리카는 상기 실리카샌드의 중량 대비 20~80%혼합하는 것이 바람직하다. 만일 경량중공실리카가 실리카샌드 대비 20% 미만으로 혼합되면 경량 저하의 효과가 미미하며, 80%를 초과하면 강도 저하를 초래할 수 있다.
또한, 점도 증진을 위한 메칠셀룰로우즈 0.5~3중량%, 응결시간 조절을 위한 칼슘포메이트 분말 0.5~3중량%, 유동성 조절을 위한 카르복실 유동화제 분말 0.1~2중량%를 더 혼합하는 것이 바람직하다.
<실험예>
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에 물을 혼합한 후 믹싱하여 페이스트를 만들고, 직경 3~10mm의 노즐을 갖는 3D 프린터를 이용하여 한 층씩 적층함으로써 도 1의 사진과 같이 적층 구조를 갖는 제품을 얻었다. 이때 시멘트 450g, 플라이애시 50g, 실리카샌드 500g, 메칠셀룰로우즈 20g, 칼슘포메이트 5g, 카르복실계 유동화제 3g와 에틸렌비닐아세테이트 45g이나 에틸렌비닐클로라이드 45g과 물 250g을 혼합하여 3D 프린팅용 시멘트계 조성물을 제조하였으며, 이렇게 제조된 조성물에 의한 적층시 안정적으로 형상을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
계속해서 아래에서는 각각의 시험체에 대하여 성분 배합에 따라 발현되는 특성을 확인한 결과를 설명한다. 각 실험체에 따른 성분의 배합은 표 1과 같다. 각 성분의 배합은 강제식 모르타르 믹서를 이용하였으며, 각 성분의 균질성을 위하여 선 비빔을 실시하여 제작하였다.
Series W/C Cement Fly ash Silica sand EVA Thickener Super
plasticizer
CEFM 50 50-0 50 450 50 500 - - -
50-1 445.5 4.5 - -
50-3 437.8 13.5 - -
50-5 427.5 22.5 - -
50-10 405 45.0 - -
50-0-1 450 - 2.3 -
50-0-2 450 - - 0.5
본 실험에 사용한 시멘트는 S사의 보통 포틀랜드 시멘트이고 혼합재로는 N사의 플라이애시를 사용하였고 골재는 실리카샌드 8호사를 사용하였다. 플라이애시는 시멘트 대체의 혼화재로 사용되며 주성분이 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)로 포졸란 반응으로 밀실한 구조를 형성하고 경량성 및 내화학성이 우수하다. 파우더 형태의 수지는 W사의 EVA를 사용하였다. 메칠셀룰로우즈를 증점제(Thickener)로 사용하고, 카르복실계 유동화제를 유동화제(Super plasticizer)로 사용하였다. 각 성분의 직경분포는 도 2와 같다.
각 시험체들의 유동성을 비교하여 살펴보면 도 3의 유동성 그래프에서 볼 수 있는 것처럼 EVA 분말수지나 유동화제 없이 증점제만을 혼합한 50-0-1만이 유동성이 결여되어 있고 다른 시험체들의 경우 양호한 유동성을 갖는 것으로 나타났다.
각 시험체들의 밀도를 비교하여 살펴보면 도 4의 밀도 그래프에서 볼 수 있는 것처럼 각 시험체들이 전반적으로 유사한 밀도를 갖는 것으로 나타났는데, EVA 분말수지나 유동화제 없이 증점제만을 혼합한 50-0-1만 근소하게 낮은 밀도를 갖는 것으로 나타났다.
각 시험체들의 압축강도를 비교하여 살펴보면 도 5의 밀도 그래프에서 볼 수 있는 것처럼 EVA 분말수지의 혼합량이 많아지거나 증점제가 혼합된 경우 상대적으로 압축강도가 낮게 나타났다. 반면, 과도하지 않은 적정량의 EVA 분말수지와 유동화제는 압축강도를 높이는 것으로 나타났다.
계속해서, 또 다른 실험예를 설명하기로 한다. 또 다른 실험을 위하여 기본 배합비는 하기 표 2와 같다.
W/C C FA S Superplast
icizer		 Polymer Hardening
acceleration		 Thickener
0.4~0.6 900 100 1000 1중량% 이하 10중량% 이하 1~3중량% 이하 2중량% 이하
혼화재료는 재료별 특성에 맞는 함량으로 설정하였고, 기본 재료의 수준을 설정하고 실험에 사용한 배합비는 아래의 표 3과 같다. 본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에 해당하는 것은 C 시리즈의 실험체로서 상대적으로 적층에 적합한 강도를 갖는 것으로 나타났다.
W/C No. Cement Fly ash Sand Superplast
icizer		 Polymer Thickener
EVCL
Series
A=0.50
B=0.60
C=0.55		 0 450 50 500 - - -
1 450 50 500 0.1중량% - -
2 450 50 500 0.1중량% - -
3 445.5 50 500 - 1중량% -
4 437.5 50 500 - 3중량% -
5 427.5 50 500 - 5중량% -
6 405 50 500 - 10중량% -
7 450 50 500 - - 0.5중량%
8 450 50 500 - - 1중량%
배합은 혼화재료의 3D 프린팅 적용 가능성을 알아보기 위한 기초실험으로 점도확인을 위한 플로테이블과 경량성 확보를 위한 밀도, 기본물성인 압축강도 실험을 실시하였다. 적층 가능성을 알아보기 위한 간이실험으로 짤주머니를 사용한 손으로 적층 실험실시하였다. 배합의 물-시멘트 비는 3가지 수준으로 결정하였으며 결합재 사용은 번호로 구분하였다. 유동화제 및 증점제는 1중량% 이하 수준으로 설정하였으며 실험에서는 2가지 수준으로 실시하였다. 폴리머는 1, 3, 5, 10중량%의 4가지 수준으로 배합하여 설계하였다.
유동시험은 각 시험체들의 점도를 알아보는 기본실험으로 반죽의 지름 평균으로 측정하였다. 적층은 짤주머니를 사용한 간이실험으로 손으로 짜내어 적층가능성을 확인하고자 한 것이다. 도 6a 내지 도 6c는 유동시험 시 각 시험체들의 사진과 플로값을 비교한 것이고, 도 7은 각 시험체들의 적층 가능 여부를 비교하여 나타낸 사진이다.
시리즈 A의 경우 낮은 물비로 적층은 가능할 것으로 판단되나 손을 이용하는 간이 실험에서는 손으로 짜는데 한계가 있어 적층에 어려움이 있었다.
실험결과 물비는 55%가 적당하다 판단되며 50%이하에서는 혼합이 어려웠으며, 유동성은 물비가 높을수록 높고 EVCL 혼입량이 증가할수록 증가하였다.
유동화제는 소량 첨가하여도 재료분리가 발생하며 매우 적은량을 첨가하여 점도 개선으로 사용하는 것이 적합하다고 판단되었다.
증점제의 사용은 반죽 및 몰드 성형이 어렵고 플로가 낮게나와 점도개선은 상당히 효과적이며 물비 및 혼화재료에 따른 적당량 설정으로 사용 가능한 것으로 판단되었다.
EVCL 및 유동화제는 반죽 내 기포를 많이 형성하여 반죽을 부드럽고 점도가 낮아져 유동이 증가하였으며, 증점제와 EVCL의 경우 적층이 가능하며 EVCL은 표면이 매끄럽고 반죽이 부드러우며 증점제의 경우 반죽이 질지만 적층할 경우에는 표면이 매끄럽고 적층된 시험체의 아래층에 처짐이 없어서 어 적층에 유리한 것으로 나타났다.
도 8은 시험체의 시리즈 간 플로값을 비교하여 정리한 것인데, 배합에 상관없이 물의 증가는 유동성을 증가시키며 EVCL의 혼입량이 증가할수록 유동성이 증가하는 것을 나타났다.
도 9는 시험체의 시리즈 간 압축강도를 비교하여 나타낸 것이다. 압축강도는 물비 55%에서 가장 높게 나타났으며 EVCL의 함량이 증가할수록 강도가 저하되었다. A 배합의 경우 반죽이 잘 이루어지지 않아 혼화재료가 없을 경우 오히려 강도가 저하되는 것으로 나타났다.
증점제는 점도로 인해 시험체 성형이 어려워 강도가 낮게 나타났으며 유동화제는 다량이 기포가 혼입되어 강도를 저하시키는 것으로 나타났다. 압축강도는 EVCL의 혼입량 증가에 따라 현저하게 낮아지며 5%이상 혼입되었을 경우 강도 발현에 한계가 있는 것으로 나타났다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims (12)

  1. 적층형 건축 외장패널 및 조형물 제조를 위한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물로서,
    시멘트 20~60중량%, 플라이애시 5~20중량%, 실리카샌드 8호사 30~70중량%의 분말과 EVA 분말수지 1~10중량%, 메칠셀룰로우즈 0.5~3중량%, 칼슘포메이트 분말 0.5~3중량%, 카르복실 유동화제 분말 0.1~2중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트와 백색 포틀랜드 시멘트를 혼합하여 사용하거나 백색 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라이애시는 메타카올린 및 실리카퓸 분말 중 적어도 하나를 첨가하여 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플라이애시는 점도 조절 및 강도 증진을 위해 미분으로 분쇄한 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 시멘트 혼합용 분말 조성물
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실리카샌드는 점도 조절을 위해 미분으로 분쇄한 것을 특징으로 하는 도의 조절 등을 위해 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 EVA 분말수지는 시멘트 혼화용 수성 폴리머 및 재유화형 분말수지 중 적어도 하나를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에 물을 혼합한 후 믹싱하여 페이스트를 만들고,
    직경 3~10mm의 노즐을 갖는 3D 프린터를 이용하여 한 층씩 적층하여 제조하는 것을 특징으로 하는 건축재.
  8. 적층형 건축 외장패널 및 조형물 제조를 위한 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 제조방법으로서,
    시멘트 20~60중량%, 플라이애시 5~20중량%, 실리카샌드 8호사 30~70중량%의 분말과 EVA 분말수지 1~10중량%, 메칠셀룰로우즈 0.5~3중량%, 칼슘포메이트 분말 0.5~3중량%, 카르복실 유동화제 분말 0.1~2중량%를 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트와 백색 포틀랜드 시멘트를 혼합하여 사용하거나 백색 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 플라이애시는 메타카올린 및 실리카퓸 분말 중 적어도 하나를 첨가하여 사용하고, 점도 조절 및 강도 증진을 위해 미분으로 분쇄한 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 시멘트 혼합용 분말 조성물의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 실리카샌드는 점도 조절을 위해 미분으로 분쇄한 것을 특징으로 하는 도의 조절 등을 위해 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 EVA 분말수지는 시멘트 혼화용 수성 폴리머 및 재유화형 분말수지 중 적어도 하나를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 제조방법.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112125618A (zh) * 2020-10-26 2020-12-25 济南大学 一种高触变性3d打印水泥基材料及其制备方法与应用
KR102398854B1 (ko) * 2022-02-11 2022-05-16 서울시립대학교 산학협력단 굴패각 분말 혼합물의 3d 적층가공 방법
WO2023016946A1 (en) * 2021-08-13 2023-02-16 Sika Technology Ag Fire-resistant light-weight thermal insulation panel
WO2023192618A1 (en) * 2022-03-31 2023-10-05 Mahmoud Reda Taha Sustainable concrete mixes incorporating carbon black & methods of making

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110081355A (ko) * 2008-11-06 2011-07-13 와커 헤미 아게 중합체 개질된 습윤 콘크리트 혼합물의 도포 방법
KR101620075B1 (ko) * 2015-03-27 2016-05-13 동산콘크리트산업(주) 3d 프린팅용 몰탈 및 이를 이용한 콘크리트와 그 제조 방법
KR20170141348A (ko) 2016-06-15 2017-12-26 이승준 3차원 프린팅을 활용한 시멘트질 구조체 제조 방법 및 시멘트질 구조체
KR20180065977A (ko) * 2015-11-04 2018-06-18 이메리스 필트레이션 미네랄즈, 인크. 적층 가공을 위한 조성물 및 방법
JP2018122539A (ja) * 2017-02-02 2018-08-09 太平洋セメント株式会社 付加製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110081355A (ko) * 2008-11-06 2011-07-13 와커 헤미 아게 중합체 개질된 습윤 콘크리트 혼합물의 도포 방법
KR101620075B1 (ko) * 2015-03-27 2016-05-13 동산콘크리트산업(주) 3d 프린팅용 몰탈 및 이를 이용한 콘크리트와 그 제조 방법
KR20180065977A (ko) * 2015-11-04 2018-06-18 이메리스 필트레이션 미네랄즈, 인크. 적층 가공을 위한 조성물 및 방법
KR20170141348A (ko) 2016-06-15 2017-12-26 이승준 3차원 프린팅을 활용한 시멘트질 구조체 제조 방법 및 시멘트질 구조체
JP2018122539A (ja) * 2017-02-02 2018-08-09 太平洋セメント株式会社 付加製造方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112125618A (zh) * 2020-10-26 2020-12-25 济南大学 一种高触变性3d打印水泥基材料及其制备方法与应用
WO2023016946A1 (en) * 2021-08-13 2023-02-16 Sika Technology Ag Fire-resistant light-weight thermal insulation panel
KR102398854B1 (ko) * 2022-02-11 2022-05-16 서울시립대학교 산학협력단 굴패각 분말 혼합물의 3d 적층가공 방법
WO2023192618A1 (en) * 2022-03-31 2023-10-05 Mahmoud Reda Taha Sustainable concrete mixes incorporating carbon black & methods of making

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