용매 치환법을 통해 제조한 Extrusion-based 3D printing 용 페이스트의 유변학적 특성

Abstract

초경 재료로 알려진 WC-Co 소재는 공구소재로 널리 사용되고 있다. 이러한 WC 합금은 융점이 높아 주조를 통한 생산은 어렵고 주로 분말 야금법에 의해 제조된다. 분말 야금법을 통해 제품을 생산하기 위해서는 고가의 금형이 필요하며, 제품을 개발하는 단계에서는 다양한 디자인의 제품 각각에 맞는 금형을 제작하여야 하므로 많은 비용이 소모된다. 본 연구에서는 WC 합금을 Material extrusion 방식의 3D 프린팅에 적용하여 고가의 금형 없이 제품을 생산하기 위한 연구를 진행하였다. 이를 위해 고형분 함량이 높은 페이스트를 제조하였는데, 분산제와 용매, 바인더의 함량에 따른 유변학 특성을 측정하여 페이스트 조성을 최적화하였다. 바인더로 사용한 Polystyrene-block-polyisoprene-block-polystyrene 의 경우 용매인 N-methyl-2- pyrrolidone(NMP)에 용해가 잘 되지 않았다. 균질한 페이스트 제조를 위해 휘발성이 크지만 SIS 에 대한 용해도가 높은 Tetrahydrofuran(THF)을 중간용매로 사용하였다. THF 를 이용하여 분말과 바인더, 분산제를 혼합한 후 건조시켜 분말 표면에 바인더와 분산제를 코팅하였고, 코팅 분말과 NMP 를 3-roll-mill 을 통해 혼합하는 방법으로 균질한 페이스트 제조하였다. 원료들의 조성을 최적화하기 위해 점도와 항복응력을 측정하여 원료들의 조성이 각각 고형분 함량은 54 vol.%, 바인더와 분산제는 각각 분말대비 1 vol.%, 10 vol.%인 페이스트를 제조하였다. 최적화된 조성을 가진 페이스트를 제조하였다. ø0.4 mm 노즐을 사용하여 출력 공정 중 head 이동 속도와 rotor의 회전속도에 따른 출력 거동을 확인하여 head 이동 속도와 rotor의 이동속도를 각각 6 mm/s, 80 rpm 으로 최적화했다. 출력물을 진공분위기에서 1400 ℃로 소결하였고, press 로 성형한 샘플과 비교한 결과 printing 샘플과 press 샘플에 대해 각각 상대밀도는 99.3 %, 99.0 %, 경도는 16.5 GPa, 16.1 GPa, 파괴인성은 16.5 MPa·m0.5, 16.89 MPa·m0.5로 물성의 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.|WC-Co, cemented carbide, is widely used as a tool material. WC alloy has a high melting point, so production through casting is difficult, and it is mainly manufactured by powder metallurgy. In order to produce a product through powder metallurgy, an expensive mold is required, and in the product development stage, a mold for each product of various designs must be manufactured, which consumes a lot of money. In this study, research was conducted to produce products without expensive molds by applying WC-Co to 3D printing of the material extrusion method. To this end, a paste with a high solid loading was prepared and the paste composition was optimized by measuring the rheological properties according to the content of the dispersant, solvent, and binder. In the case of SIS used as a binder, it did not dissolve well in NMP, a solvent, and THF, which has high volatility but high solubility in SIS, was used as an intermediate solvent to prepare a homogeneous paste. After mixing the powder, binder and dispersant using THF, the binder and dispersant were coated on the powder surface, and a homogeneous paste was prepared by mixing the coated powder and NMP through a 3-roll-mill. In order to optimize the composition of the raw materials, viscosity and yield stress were measured to prepare a paste capable of printing with a solid loading of 54 vol.% and a binder and dispersant of 1 vol.% and 10 vol.%, respectively, compared to the powder. The optimized paste was used and printed through the ø0.4 mm nozzle. The printed behavior according to the head movement speed and rotor rotation speed was confirmed. The printing conditions were established at 6 and 8 respectively for the speed of head movement and the speed of rotor rotation. The printed sample was sintered at 1400 °C in a vacuum atmosphere, and the 50 mechanical properties of the printed sample and the press-molded sample were compared. As a result, for the printing sample and the press sample, the relative densities were 99.3% and 99.0%, the hardness was 16.5 GPa and 16.1 GPa, and the fracture toughness was 16.5 MPa·m0.5 and 16.89 MPa·m0.5, respectively, and there was no difference in mechanical properties.