3D 프린터용 점토의 조성에 관한 연구

A Study on the Composition of Clay for 3D Printer

2009년 3D프린터에 관련된 특허가 만료됨으로써 그 개발과 함께 수요가 폭발적으로 증가했으며 이 에 따라 FDM방식의 3D프린터는 이제 누구나 관심만 있다면 손쉽게 구매와 운용이 가능하게 되었다. 점토를 바로 출력하는 LDM방식의 3D프린터는 필라멘트를 소재로 사용하는 것이 아닌 적당히 잘 반죽 된 점토를 실린더에 넣어 이 점토를 출력, 적층하는 프린터이다. stl(StereoLithography)확장자로 만들어 진 도면파일은 슬라이스 프로그램을 통해 g_code로 변환되고 3D프린터는 이 변환된 좌표값대로 움직 이면서 출력물을 완성하게 된다는 점에서는 기존의 필라멘트 3D프린터와 큰 차이가 없으나 점토를 재 료로 하기 때문에 점토를 실린더에서 튜브를 통해 노즐로 이동시키는 구동방식과 점토를 압출시키는 슬라이싱 설정값에서는 큰 차이가 있다. 아직 국내에서는 이 점토용 3D프린터를 개발, 생산하는 업체 가 없지만 많은 관심있는 공예가들은 이미 해외에서 점토용 3D프린터를 수입하여 사용하고 있다. 하지 만 주재료인 점토에 대한 연구가 미흡하여 고가의 프린터를 제대로 활용하지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 논문에서는 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 두 종류의 점토를 누구나 점토용 3D프린터 에 활용할 수 있도록 그 조성비를 연구하고자 하였다. 연구방법으로는 기본적으로 점토가 가지고 있는 수분외에 에탄올과 규산소다 그리고 글리세린 등의 액체류를 첨가하는 방식과 알루미나와 샤모트 등의 분말류를 첨가하는 실험을 통해 가장 최적의 점토 조성비를 찾고자 했다. 또한 첨가한 각각의 재료가 점토의 조성에서 어떤 역할을 했는지 상세히 밝히고자 노력하였다. 결론적으로, 3D프린터에 가장 이상적인 점토의 조성비는, 실린더에 점토를 채울 때는 너무 단단하지않아 기포발생을 최소화해야 하고 실린더에서 튜브를 통과해 노즐까지는 부드럽게 이동해야 하며, 노즐 에서 압출되어 적층 될 때는 너무 질거나 끈적이지 않아야 했다. 또한 점토의 조성 비율 외에도 슬라이 싱 설정값, 프린터베드의 종류와 레벨링, 그리고 노즐의 생김새 등 많은 요인이 변수로 작용하였다.

As the patents related to 3D printers expired in 2009, demand for 3D printers has exploded along with their development. Accordingly for this, FDM-type 3D printers can now be easily purchased and operated by anyone who is interested. The LDM-type 3D printer that prints clay directly is a printer that does not use filament as a material, but puts moderately well-kneaded clay into a cylinder and outputs and stacks the clay. There is no significant difference from conventional filament 3D printers in that the drawing file made of stl (StereoLithography) file is converted into g_code through a slice program and the 3D printer moves according to this converted coordinate value to complete the output, but since clay is used as a material, there is a big difference between the driving method of moving clay from the cylinder to the nozzle through the tube and the slicing setting value of extruding clay. There is no company that develops and produces this clay 3D printer in Korea yet, but many interested craftsmen have already imported and used the clay 3D printer from abroad. However, due to insufficient research on clay, the main material, expensive printers cannot be used properly. Therefore, in this paper, the composition ratio of the two types of clay, which is the most used in Korea, was studied so that anyone could use it in a clay 3D printer. As a research method, we tried to find the most optimal clay composition ratio through an experiment in which liquids such as ethanol, sodium silicate, and glycerin are added in addition to the moisture that clay has already, and powders such as alumina and chamotte. In addition, we tried to clarify in detail what role each added material played in the composition of clay. In conclusion, the most ideal composition ratio of clay for a 3D printer is not too hard when filling the cylinder with clay, so it should minimize the generation of bubbles, it should move smoothly from the cylinder through the tube to the nozzle, and not too muddy or sticky when it is being extruded. In addition to the composition ratio of the clay, many factors such as the slicing setting value, the type and leveling of the printer bed, and the shape of the nozzle acted as variables.