압출형 3D 프린팅용 알루미나 페이스트의 유변학적 특성에 미치는 나노입자 첨가의 영향

Abstract

알루미나는 세라믹 소재 중 비교적 가격이 저렴하고 우수한 열·기계적 특성으로 범용적으로 사용되고 있다. 기존의 공정으로는 단순한 형상으로 만의 접근이 가능하여 다양한 분야로 적용하기 위해서는 복잡한 형상을 구현해내는 것이 필요하다. 복잡한 형상을 위해서는 추가적인 가공이 필요하게 된다. 이는 제조 시간이 길어지는 것뿐만 아니라 제조 비용의 상승을 일으키는 주요 원인이다. 3D 프린팅 방식은 복잡한 형상을 구현하는데 있어 가장 간단한 방법으로 알려져 있다. 그 중 본 연구에서는 압출 (Material extrusion, ME) 방식을 이용하였다. 이때 프린팅 출력물의 형상을 유지하는데 있어 크게 기인하는 바인더는 필수 불가결이었다. 바인더의 존재는 탈지 과정에서 소결체의 균열을 초래하고 기존 소결 시간보다 오래 걸리게 된다. 본 연구에서는 바인더를 대신하기 위해 입자 크기가 서로 다른 동종의 분말 (Al2O3)을 이용하여 입자 간의 마찰력을 증가시켜 3D 프린팅용 알루미나 페이스트의 제조 가능 여부에 대하여 연구하였다. 입자의 크기는 각각 0.4 um 와 50 nm 이었으며, mixer 종류와 나노입자 함량에 따른 알루미나 페이스트의 점도 및 항복응력을 측정하여 균질한 페이스트 제조를 위한 압출 성형의 가능성을 확인하였다. Planetary mixer로 제조한 페이스트보다 3-roll-mill로 제조한 페이스트가 더 균질함을 확인하였으며 보다 높은 고형분 함량의 페이스트를 제조할 수 있었다. Planetary mixer로 제조한 페이스트의 경우, 400 Pas 이하로 비슷한 점도의 페이스트에서 나노입자 함량이 증가함에 따라 항복응력이 증가하였다. 3D 프린팅 적층 결과, 나노입자를 첨가하지 않은 경우, 적층 높이가 5 mm였고 나노입자를 7 wt% 첨가한 경우, 적층 높이가 17 mm로 약 70 % 증가하였다.| Alumina is relatively inexpensive among ceramic materials and is widely used due to its excellent thermal and mechanical properties. Existing processes can only approach with simple shapes, so it is necessary to implement complex shapes in order to apply them to various fields. Additional processing is required for complex shapes. This is a major cause of an increase in manufacturing cost as well as an increase in manufacturing time. The 3D printing method is known as the simplest method for implementing complex shapes. Among them, the material extrusion method was used in this study. At this time, the binder, which is largely due to maintaining the shape of the printed output, was indispensable. The presence of the binder causes cracking of the sintered body during the degreasing process and takes longer than the conventional sintering time. In this study, we studied whether it is possible to manufacture an alumina paste for 3D printing by increasing the frictional force between particles using the same type of powder (Al2O3) with different particle sizes to replace the binder. The particle sizes were 0.4 um and 50 nm, respectively, and the viscosity and yield stress of the alumina paste were measured according to the type of mixer and the content of nanoparticles, thereby confirming the possibility of extrusion molding to produce a homogeneous paste. It was confirmed that the paste prepared by the 3-roll-mill was more homogeneous than the paste prepared by the planetary mixer, and a paste with a higher solid content could be prepared. In the case of the paste prepared by the planetary mixer, the yield stress increased as the nanoparticle content increased in the paste with a similar viscosity below 400 Pas. As a result of the 3D printing stacking, the stacking height was 5 mm when the nanoparticles were not added, and the stacking height increased by about 70 % to 17 mm when the nanoparticles were added at 7 wt%.