KR-20260060576-A - Photocuring Based 3D Printing Method Using Ceramic Composition

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Abstract

본 발명은 광중합 기반 3D 프린팅 방법을 이용하여 3D 프린팅시 빌딩플랫폼의 구조 및 구성을 최적화하고; 세라믹 슬러리 탱크의 운용을 최적화하고; 3D 프린팅용 세라믹 슬러리의 조건을 최적화하므로 고품질의 그린바디를 제조할 수 있는 장점이 있다. 상세하게는 본 발명의 빌딩플랫폼 리프팅 타입 광경화 기반 3D 프린팅 방법은 세라믹 슬러리 탱크의 코팅 물질을 PDMS와 동등 또는 이상의 화학적 안정성을 가지면서도 향상된 열안정성을 가진 테프론(Tefron)으로 교체하며 세라믹 슬러리 탱크를 주기적으로 교반하여 열을 분산시키는 방법으로 그린바디의 품질저하 문제를 해결하였으며; 본 발명의 슬러리 탱크 틸팅 타입 광경화 기반 3D 프린팅 방법은 세라믹 슬러리에 대한 표면장력을 감소시키는 다수의 홈을 구비한 빌딩플랫폼을 도입하고 세라믹 슬러리의 점도를 적절히 조절하는 방법으로 그린바디의 품질저하 문제를 해결하였으며; 본 발명의 블레이드 이동 타입 광경화 기반 3D 프린팅 방법은 세라믹 슬러리의 이동 거리를 최소화하므로 슬러리의 공급이 균일하게 되도록 하는 다공성 빌딩플랫폼을 도입하고 세라믹 슬러리의 점도를 적절히 조절하는 방법으로 그린바디의 품질저하 문제를 해결하였다.

Inventors

이상진
장경준

Assignees

국립목포대학교산학협력단

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20241025

Claims (3)

세라믹 조성물을 이용한 광경화 기반 3D 프린팅 방법에 있어서, 3D 프린팅용 세라믹 슬러리를 테프론(Tefron)으로 코팅된 세라믹 슬러리 탱크에 담는 제 1 단계; 빌딩플랫폼을 하강시켜 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리에 접촉하도록 하고 이를 상승시켜 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리가 상기 빌딩플랫폼상에 일정한 두께의 막을 형성하도록 한 후 자외선을 조사하여 상기 빌딩플랫폼상에 경화층을 형성하는 제 2 단계; 상기 경화층이 형성된 빌딩플랫폼을 더 상승시키고 상기 테프론(Tefron)으로 코팅된 세라믹 슬러리 탱크를 회전시켜 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리의 온도를 하강 시키는 제 3 단계; 상기 경화층이 형성된 빌딩플랫폼을 하강시켜 상기 경화층이 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리에 접촉하도록 한 후 이를 상승시켜 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리가 상기 경화층상에 일정한 두께의 막을 형성하도록 한 후 자외선을 조사하여 상기 경화층상에 다른 경화층을 형성하는 제 4 단계; 및 상기 제 3단계와 제 4 단계를 반복하여 상기 빌딩플랫폼상에 3개 이상의 경화층이 적층되어 그린바디를 형성하는 제 5 단계; 를 포함하는 빌딩플랫폼 리프팅 타입 광경화 기반 3D 프린팅 방법.
세라믹 조성물을 이용한 광경화 기반 3D 프린팅 방법에 있어서, 3D 프린팅용 세라믹 슬러리를 세라믹 슬러리 탱크에 담는 1 단계; 표면장력 감소용 홈이 형성된 빌딩플랫폼을 하강시켜 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리에 접촉하도록 하고 이를 상승시켜 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리가 상기 표면장력 감소용 홈이 형성된 빌딩플랫폼상에 일정한 두께의 막을 형성하도록 한 후 자외선을 조사하여 상기 표면장력 감소용 홈이 형성된 빌딩플랫폼상에 경화층을 형성하는 제 2 단계; 상기 경화층이 형성된 빌딩플랫폼을 더 상승시키고 상기 세라믹 슬러리 탱크를 틸팅시켜 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리가 상기 세라믹 탱크에 균일하게 분포되도록 하는 제 3 단계; 상기 경화층이 형성된 빌딩플랫폼을 하강시켜 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리에 접촉하도록 하고 이를 상승시켜 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리가 상기 경화층상에 일정한 두께의 막을 형성하도록 한 후 자외선을 조사하여 상기 경화층상에 다른 경화층을 형성하는 제 4 단계; 및 상기 제 3단계와 제 4 단계를 반복하여 상기 표면장력 감소용 홈이 형성된 빌딩플랫폼상에 3개 이상의 경화층을 적층하여 그린바디를 형성하는 제 5 단계; 를 포함하는 슬러리 탱크 틸팅 타입 광경화 기반 3D 프린팅 방법.
세라믹 조성물을 이용한 광경화 기반 3D 프린팅 방법에 있어서, 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리를 세라믹 슬러리 탱크에 담는 제 1 단계; 상기 세라믹 슬러리를 수차례 순환시킨 후 메쉬(mesh) 타입 빌딩플랫폼을 하강시키고 그 위로 블레이드를 이동시켜 상기 메쉬(mesh) 타입 빌딩플랫폼상에 상기 세라믹 슬러리가 일정 두께로 도포되도록 후 자외선을 조사하여 상기 메쉬타입 빌딩플랫폼상에 경화층을 형성하는 제 2 단계; 상기 경화층이 형성된 메쉬(mesh) 타입의 빌딩플랫폼을 상승시킨 후 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리가 담긴 세라믹 슬러리 탱크를 순환시키고 상기 경화층이 형성된 메쉬(mesh) 타입의 빌딩플랫폼을 하강시킨 후 상기 블레이드를 그위로 이동시켜 상기 경화층상에 상기 세라믹 슬러리가 일정 두께로 도포되도록 한 후 자외선을 조사하여 상기 경화층상에 다른 경화층을 형성하는 제 3 단계; 및 상기 제 2 단계와 제 3 단계를 반복하여 상기 메쉬(mesh) 타입의 빌딩플랫폼상에 3개 이상의 경화층을 적층하여 그린바디를 형성하는 제 4 단계; 를 포함하는 블레이드 이동 타입 광경화 기반 3D 프린팅 방법.

Description

세라믹 조성물을 이용한 광경화 기반 3D 프린팅 방법{Photocuring Based 3D Printing Method Using Ceramic Composition} 본 발명은 세라믹 조성물을 이용한 광경화 기반 3D 프린팅 방법에 관한 것이다. 다층 제조 공정을 기반으로 한 세라믹 3D 프린팅 기술은 치과 분야 등에서 연구되고 있다. 세라믹 3D 프린팅을 통해 세라믹 적층을 제조하는 방법으로는 스테레오 리소그래피 장치(stereo lithography apparatus, SLA), 디지털 광 처리(digital light processing, DLP), 테이프 캐스팅(tape casting), 압출 방법(extrusion method)을 이용한 제조방법이 있다. 이 중 SLA 및 DLP을 이용한 적층 제조 방법은 광중합 기반 3D 프린팅 방법으로서 높은 정밀도, 우수한 표면 품질, 빠른 출력 속도를 보이는 장점이 있으나 재료 선택에 한계가 있는 문제점이 있었다. 광중합 기반 3D 프린팅 방법은 세라믹 분말, 광경화 수지, 및 광개시제를 포함하는 슬러리에 자외선(UV)를 조사하여 수행하는 디지털 광 처리 방법의 하나이다. 상기 슬러리에 자외선이 조사되면 상기 자외선은 슬러리에 흡수되어 산란되고 이로 인해 광개시제의 분해가 가속화하므로 자유 라디칼을 생성된다. 상기 생성된 자유 라디칼은 단량체의 이중 결합을 끊으므로 가교 결합이 형성되어 슬러리가 경화된다. 도 1은 광경화 기반 3D 프린팅 방법을 보여준다. 광경화 기반 3D 프린팅 방법은 자외선 광원의 위치에 따라 하향식 및 상향식 접근 방식으로 분류된다. 도 1의 패널 (a)는 광경화 기반 3D 프린팅 방법 중 바텀-업(bottom-up) 방식을 보여준다. 상기 바텀-업 방식은 빌딩플랫폼(Building platform)을 아래로 이동시켜 슬러리 두께를 일정 수준으로 제어하고, 하부 필름과 빌딩 플랫폼 사이의 슬러리를 자외선을 사용하여 경화시킨다. 그 후 경화된 층을 필름에서 제거하여 빌딩 플랫폼에 부착한 후 위로 이동시키는데 이 과정을 반복하면 3D 프린팅층이 적층되어 그린바디(Green body)가 제조 된다. 도 1의 패널 (b)는 광경화 기반 3D 프린팅 방법 중 탑-다운(Top-down) 방식을 보여준다. 상기 탑-다운 방식은 자외선을 위에서 아래로 노출시켜 경화를 수행하는 것으로 경화 후 빌딩 플랫폼이 경화된 층의 두께와 동일한 거리만큼 아래로 이동하고 빌딩 플랫폼 상에 슬러리 층이 평평하게 유지되면 자외선을 다시 조사하여 경화시키는 방법으로 적층시켜 그린바디를 제조한다. 3D 프린팅층이 적층되어 형성된 그린바디는 탈지 및 소결공정을 거쳐 최종 제품으로 완성된다. 상기 그린바디의 재료 특성이 낮으면 완성품의 특성 또한 저하되므로 이를 최적화하는 것이 중요하다. 그린 바디의 재료 특성을 개선하려면 구성을 최적화하고 세라믹 적층의 제조시 발생하는 문제를 해결하는 것이 중요하다. 그럼에도 불구하고 이러한 문제를 처리하는 방법에 대한 논의가 충분하지 않았다. 본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다. 도 1은 광경화 기반 3D 프린팅 방법을 보여준다. 도 2는 본 발명의 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 빌딩플랫폼 리프팅 타입(LT) 방법, 슬러리 탱크 틸팅 타입(TT) 방법, 및 블레이드 이동 타입(BT) 방법을 보여준다. 도 3은 본 발명의 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 빌딩플랫폼 리프팅 타입(LT) 방법으로 수행한 3D 프린팅 결과를 보여준다. 도 4는 본 발명의 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 빌딩플랫폼 리프팅 타입(LT) 방법으로 수행한 3D 프린팅 결과물의 미세구조를 보여준다. 도 5는 본 발명의 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 슬러리 탱크 틸팅 타입(TT) 방법으로 수행한 3D 프린팅 결과와 이에 최적화된 빌딩플랫폼을 보여준다. 도 6은 본 발명의 본 발명의 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 블레이드 이동 타입(BT) 방법으로 수행한 3D 프린팅 결과와 이에 최적화된 빌딩플랫폼을 보여준다. 본 발명에서는 광경화 기반 3D 프린팅 방법 중 바텀-업(bottom-up) 방식에서 슬러리 층을 도입하는 방법을 기준으로 세라믹 슬러리 탱크는 고정된 상태에서 빌딩플랫폼을 상하로 구동하는 빌딩플랫폼 리프팅 타입(lifting type, LT) 방법; 및 빌딩 플랫폼은 고정된 상태에서 세라믹 슬러리 탱크를 기울이는 틸팅 타입(tilting type, TT) 방법;의 제조상 문제점을 분석하고 그 해결책을 개발하였으며, 광경화 기반 3D 프린팅 방법 중 탑-다운(top-down) 방식에서 블레이드 이동 타입(blade movement type, BT) 방법의 제조상 문제점을 분석하고 그 해결책을 개발하였다. 도 2는 본 발명의 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 빌딩플랫폼 리프팅 타입(LT) 방법, 슬러리 탱크 틸팅 타입(TT) 방법, 및 블레이드 이동 타입(BT) 방법을 보여준다. 도 2의 패널 (a)는 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 빌딩플랫폼 리프팅 타입(LT) 방법을 보여준다. 상기 LT 방법은 새로운 층을 추가하기 위해 빌딩플랫폼을 상하로 움직여 재료를 공급하고 유동성을 달성한다. 세라믹 슬러리 탱크는 빌딩 플랫폼 하단에 위치하고 세라믹 슬러리 탱크의 표면은 일반적으로 폴리디메틸실록산(Polydimethyl siloxane, PDMS) 필름으로 코팅된다. 도 3은 본 발명의 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 빌딩플랫폼 리프팅 타입(LT) 방법으로 수행한 3D 프린팅 결과를 보여준다. 도 3의 패널 (a)는 광경화시 PDMS가 분해되면서 빌딩플랫폼의 상하 구동시 이에 부착된 그린바디를 잡아당겨 분리된 실시예를 보여준다. 상기 실시예는 광경화 중 발생하는 열로 인하여 세라믹 슬러리 탱크의 표면에 코팅된 PDMS가 분해되면서 접착성을 나타내어 빌딩플랫폼의 상하 구동시 이에 부착된 그린바디가 세라믹 슬러리 탱크와 접착하여 발생한 문제이다. 상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 상기 세라믹 슬러리 탱크의 표면을 테프론(Tefron)으로 코팅하였다. 도 3의 패널 (b)는 세라믹 슬러리 탱크의 표면을 테프론(Tefron)으로 코팅하므로 3D 프린팅이 성공적으로 수행된 실시예를 보여준다. 상기 PDMS는 소수성 특성을 가진 투명하고 부드러운 폴리머로 광경화성 수지가 통 표면에서 반응하는 것을 방지하기 위하여 사용되고 있으나 유리 전이 온도(Tg)가 123.3 내지 149.9℃이므로 광경화 수지가 경화되는 과정에서 발생하는 열(80 내지 140℃)에 의해 PDMS 코팅층의 표면 일부가 분리 및 변형되어 접착성이 발생하게 된 것이다. 이에 본 발명에서는 PDMS 대비 열안정성이 우수한 테프론(Tefron)을 이용하여 세라믹 슬러리 탱크의 표면을 코팅하고 주기적으로 세라믹 슬러리 탱크를 회전시켜 열이 분산되도록 하였다. 그 결과 빌딩플랫폼에 형성된 그린바디가 세라믹 슬러리 탱크의 표면과 접착되지 않아 성공적인 3D 프린팅이 수행되었다. 상기 테프론은 반응성이 낮을 뿐 아니라 최대 260℃ 까지 안정한 물성을 가지고 있으므로 세라믹 슬러리 탱크의 표면 코팅 물질로서 PDMS를 대체 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 상기 세라믹 슬러리 탱크를 회전시키는 방법으로 세라믹 슬러리를 교반시키면 열이 효과적으로 분산되어 세라믹 슬러리 탱크의 표면 코팅 물질의 분해를 효과적으로 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 도 4는 본 발명의 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 빌딩플랫폼 리프팅 타입(LT) 방법으로 수행한 3D 프린팅 결과물의 미세구조를 보여준다. 도 4의 패널 (a)는 과도한 기하학적 성장이나 균열이 없는 실시예의 그린바디 표면을 보여주며 도4의 패널 (b)는 불충분한 결합력으로 인해 균열이 발생한 실시예의 그린바디 표면을 보여준다. 본 발명의 세라믹 슬러리는 광 산란으로 인한 경화 깊이가 부족하여 결합력이 부족하며 기하학적 과성장이 동시에 발생하는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 광량과 광원 값을 고려하여 경화 시간을 최적화하거나 빌딩플랫폼의 리프팅 속도를 조정하는 것이 필요하다. 도 4의 성공 실시예는 층의 두께를 25㎛으로 설정하고 광조사 시간을 2초로 설정으로 설정하여 침투 용량이 73.70±5.40㎛가 되도록 최적화한 결과이다. 도 2의 패널 (b)는 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 슬러리 탱크 틸팅 타입(TT) 방법을 보여준다. 상기 TT 방법은 세라믹 슬러리 탱크의 고정 축의 수직 운동을 통해 세라믹 슬러리를 공급하고 이의 유동성을 달성하며 상기 수직운동은 빌딩플랫폼에 새로운 층이 추가됨에 따라 반복된다. 도 5는 본 발명의 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 슬러리 탱크 틸팅 타입(TT) 방법으로 수행한 3D 프린팅 결과와 이에 최적화된 빌딩플랫폼을 보여준다. 도 5의 패널 (a)는 종래의 빌딩플랫폼을 이용하여 슬러리 탱크 틸팅 타입(TT) 방법을 수행한 3D 프린팅물을 보여준다. 상기 3D 프린팅물은 고정축으로부터 거리가 멀수록 경화층의 균일성이 감소하는 것으로 확인된다. 상기 결과는 빌딩플랫폼 또는 경화층 상에서 표면장력등에 의해 세라믹 슬러리의 유동성이 감소하면서 발생한 것으로 판단된다. 이에 본 발명에서는 빌딩플랫폼의 표면에 축 방향으로 하나 이상의 홈을 적용하는 방법으로 빌딩플랫폼의 표면장력을 감소시켜 세라믹 슬러리의 유동성 감소를 방지하였다. 도 5의 패널 (b)는 세라믹 슬러리의 유동성 감소를 방지하기 위하여 다수의 홈이 적용된 슬러리 탱크 틸팅 타입(TT) 방법용 빌딩플랫폼을 보여준다. 도 2의 패널 (c)는 광경화 기반 3D 프린팅 방법의 블레이드 이동 타입(BT) 방법을 보여준다. 상기 BT 방법은 하단에 위치한 빌딩플랫폼에 층이 추가될 때마다 블레이드가 좌우로 움직여 균일한 표면에 세라믹 슬러리를 공급하는 방법이다. BT 방법의 기본적인 동적 매개변수는 빌딩플랫폼의 상하 움직임과 블레이드의 좌우 움직임이다. 동적 매개변수는 블레이드의 속도를 제어하고 블레이드 표면과 재료 사이에 발생하는 전단 응력을 조정한다. BT 방법의 대표적인 재료 매개변수는 점도이다. 점도가 높으면 블레이드를 제어하기 어렵고 광