KR102287023B1

KR102287023B1 - 플라스틱으로부터 분상 물질을 제조하기 위한 방법 및 디바이스

Info

Publication number: KR102287023B1
Application number: KR1020197022146A
Authority: KR
Inventors: 악셀 드레슬러
Original assignee: 드레슬러 그룹 게엠베하 앤드 컴퍼니 케이지
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2021-08-09
Anticipated expiration: 2038-01-09
Also published as: US11000973B2; AU2018209619A1; CA3050168C; TW201831295A; JP6823184B2; CN110225793A; CA3050168A1; CN110225793B; KR20190103251A; WO2018134087A1; TWI745529B; AU2018209619B2; US20190358856A1; JP2020507490A; EP3570968A1

Abstract

본 발명은 가능한 한 구형 구조를 갖는 분상 플라스틱 입자들을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 플라스틱으로 만든 개시 물품(30), 특히 점성 내지 고체 개시 물품(30)은 개시 물품(30)에 대해 적어도 5 m/s의 속도(v)로 이동되는, 몸체(20)의 평활 표면(24)과 접촉하게 된다. 개시 물품(30)과 몸체(20) 사이의 접촉 영역(34)에서, 개시 물품(30)은 국부적으로 가열되고, 몸체(20)의 이동 방향으로 접촉 영역 밖으로 분상 형태로 던져진다.

Description

플라스틱으로부터 분상 물질을 제조하기 위한 방법 및 디바이스

본 발명은 플라스틱으로부터 가능한 한 구형 구조를 갖는 분상 물질들을 제조하기 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이다.

이상적으로, 입자 크기들은 500보다 더 작으며, 특히 100 ㎛보다 더 작으며, 예를 들어, 입자들은 30 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위에 있다. 최대 상한은 800 ㎛로서 지정될 수 있다. 하한은 나노미터 범위이다. 가능한 한, 구형 형상으로부터의 편차는 입자의 최소 단면 치수가 동일한 입자의 최대 단면 치수의 크기의 20% 이상, 바람직하게는 50% 이상인 그러한 것이어야 한다.

그러한 종류의 분상 물질은 많은 목적들, 예를 들어 3D 프린팅, 분말 코팅 등을 위해 요구된다. 개별 입자들이 더 구형 일수록, 분말은 더 유동적이다.

그러한 종류의 분상 물질들을 제조하기 위한 디바이스는 DE 20 2016 106 243 U1로부터 공지되어 있다. 이러한 경우, 개시 물품(starting product)의 고온 용융물(molten mass)은 용융물이 나오고 작은 액적들로 분리되는 노즐 디바이스로 공급되며, 이는 아래쪽으로 떨어진다. 이들 액적들은 냉동가스(cryogas)로 냉각되고 하단 영역에 수집된다.

유사한 디바이스 및 대응하는 방법은 또한 EP 945 173 B1로부터 공지되어 있다. 문서 US 6 903 065 B2는 상기 언급된 유럽 특허 명세서 EP 945 173 B1에 따라 이러한 방법을 설명한다. 그것은 50 ㎛ 내지 300 ㎛, 특히 100 ㎛보다 더 큰 전형적인 입자 크기들의 제조에 관한 것이다.

이들 방법들에서, 개시 물품으로서 사용되는 각각의 플라스틱은 그것이 분사될 수 있도록 가열된다. 그러나, 이러한 가열 과정은 플라스틱이 현저히 변하지 않은 온도 이상에서 계속되지 않아야만 한다. 과도한 가열은 받아들일 수 없는 변화를 야기하는 플라스틱의 화학적 과정을 초래한다. 이와 관련하여, 플라스틱이 상승된 온도에서 유지되는 시간 길이가 또한 중요한 것으로 보인다.

그것은 먼저 플라스틱들을 용매에서 용해시키고 예를 들어 수득된 용액을 분무 또는 분사하고 용매가 실질적으로 증발할 때까지 수득된 액적들을 분리된 상태로 유지함으로써, 그것으로부터 입자들을 회수하는 것이 더 공지되어 있다. 이러한 방법으로, 그것은 플라스틱을 더 높은 온도로 가져갈 필요가 없으며, 이는 화학적 변화들이 우려에 대한 원인을 나타내지 않는다는 것을 의미한다. 그러나, 용매는 플라스틱에 침투한다.

그러나, 그것은 종래의 방법들 및 장치들을 사용하여 원하는 진원도(roundness)를 갖는 플라스틱 입자들을 제조하는 것은 불가능하다. 다른 제조 방법에 대한 필요성이 존재한다.

따라서, 본 발명의 목적은 가능한 한 구형 형상을 갖는 플라스틱 입자들이 저렴하고 산업적 스케일로 제조될 수 있는 방법을 설명하는 것이다. 본 발명의 추가 목적은 대응하는 디바이스를 설명하는 것이다.

방법에 관하여, 이러한 목적은 가능한 한 구형 구조를 갖는 분말 플라스틱 입자들을 제조하기 위한 방법으로 해결되며, 여기서, 플라스틱으로 만든 개시 물품, 특히 바람직하게는 고정된 점성 내지 고체 개시 물품은 개시 물품에 대해 적어도 5 m/s의 속도(v)로 이동하는 몸체의 평활 표면과 접촉하게 되어, 개시 물품이 개시 물품과 몸체 사이의 접촉 영역에서 국부적으로 가열되게 하고 몸체의 이동 방향에서 접촉 영역 밖으로 분상 형태로 던져지도록 한다. 디바이스에 관하여, 목적은 제13항의 특징들을 갖는 디바이스로 해결된다.

본 발명은 새로운 접근법을 채택한다. 본 방법은 "마찰 분사(friction spraying)"로 칭하여 진다. 개시 물품은 몸체의 상대적으로 빠른 이동 표면과 접촉하게 된다. 개시 물품은 전체적으로 이를 위해 가열될 필요는 없다. 가열을 발생하지만, 그것은 개시 물품과 몸체 사이의 매우 작은 접촉 영역에 제한된다. 이러한 방식으로, 각각의 경우에 있어서 소량의 플라스틱만이 한번에 그리고 매우 짧은 시간 동안만 더 높은 온도로 상승되며, 이는 그것을 분쇄하는데 충분하다. 따라서, 임의의 화학적 변화들이 발생할 수 있는 기간은 제한된다. 플라스틱이 화학적 변화를 겪을 수 있는 가능성은 예를 들어 EP 945 173 Bl에 따른 분사 방법에서 동일한 온도로 가열되는 플라스틱에 비해 상당히 더 낮다.

놀랍게도, 실질적으로 구형 플라스틱 입자들이 접촉 영역에 형성된다는 것이 발견되었다. 상대적 이동은 한편으로는 마찰 열을 초래하고, 다른 한편으로는 플라스틱 재료의 분리 및 가능하게는 또한 성형을 초래하여, 궁극적으로 작은 구형 입자들의 특정 형성 및 성형을 초래한다. 마지막으로, 상대적 이동은 이들 구형 입자들을 가속시키는 효과를 갖고 있어서 그들은 접촉 영역 밖으로 던져진다. 출구 모션(exit motion)은 모든 이벤트에서 바람직하게는 출구 쐐기(wedge) 내인, 실질적으로 접선이다. 접촉 영역을 나가는 구형 입자들은 분사 방법으로 노즐을 떠나는 입자들보다 상당히 더 낮은 온도에 있다. 따라서, 그들은 냉각 가스 등에서 특별히 냉각될 필요가 없다. 냉각은 입자들이 수집 용기로 가는 도중에 공기를 통해 비산함에 따라 발생한다. 결과적으로, 수집 용기 내의 입자들은 그들의 표면들이 더 이상 점착성이 아니고, 따라서 그들이 서로 접착하지 않을 정도로 충분히 고체이다.

방법은 플라스틱이 몸체의 표면을 커버하거나 코팅할 수 없는 그러한 방식으로 수행되어야만 한다. 몸체의 표면은 방법이 오랜 기간 동안 진행한 후에도 시작에서와 같이 순수하고 깨끗하게 남아 있어야 한다. 다수의 측정들이 이러한 목적을 달성하기 위해 취해질 수 있다. 상대 속도는 예를 들어, 10 m/s 또는 20 m/s보다 더 큰 값으로 증가될 수 있으며, 그것에 의해 가속력 및 원심력을 증가시키며, 이는 접착력을 억제시키는 효과를 갖는다. 표면은 가능한 한 평활하고 플라스틱이 그것에 접착되지 않는 그러한 방식으로 구성되어야 한다. 몸체는 강화될 수 있어서, 플라스틱이 그것에 접착하는 위험은 일반적으로 감소된다. 재료는 그것이 사용된 플라스틱에 의한 접착력에 대해 가능한 한 적은 친화도(affinity)를 제공하도록 몸체에 대해 그리고 따라서 또한 표면에 대해 선택될 수 있다. 추가적으로, 개시 물품이 몸체의 표면에 대해 가압되는 힘은 가변될 수 있다. 바람직하게는, 적어도 1 N의 힘이 적용된다. 스미어들(smears)은 더 낮은 힘들보다는 더 높은 힘들로 표면 상에 나타날 가능성이 더 크다. 그러나, 더 높은 힘들로 인해 플라스틱 입자들의 수율이 또한 일반적으로 더 크다. 따라서, 이점에 관해서 실질적인 평균값이 발견되어야만 한다. 마지막으로, 방법은 또한 각각의 경우에 사용되는 플라스틱에 의존한다. 모든 플라스틱들이 동일한 방식으로 처리될 수 있거나 처리되어야 하는 것은 아니지만, 오히려 개별 파라미터들(상대 속도, 몸체의 재료, 표면의 상태, 즉 예를 들어 그것의 거칠기 등)은 임의의 주어진 플라스틱에 대해 상이하다.

그것은 몸체를 그것의 실린더 축을 중심으로 회전하는 실린더로서 구성하고, 개시 물품을 실린더 배럴과의 접촉으로 개시 물품을 가져오는 것이 유리하다고 입증되었다. 특히 10 cm보다 더 작은, 특히 2 cm보다 더 작은 반경을 갖는 실린더들의 경우, 곡률(curvature)이 너무 급격하므로 어떠한 것도 토출된 플라스틱 입자들의 궤적을 방해하지 않는다. 이것은 평탄 표면의 경우에 반드시 사실일 필요는 없다. 곡률 때문에, 그것은 또한 수집 용기에 플라스틱 입자들을 수집하고 디바이스 내부에 용기를 배열하는 것이 더 간단하다. 플라스틱 입자들은 쐐기형 제트의 형태로 접촉 영역 밖으로 추진된다. 그것은 그들이 방해받지 않은 제트로 나가면 유리하다.

그것은 달리 평활 표면을 불연속부들(discontinuities)을 갖는 몸체에 제공하는 것이 유리하다. 이들은 바람직하게는 규칙적인 배열이다. 그들은 홈들 또는 리브들로 구성될 수 있다. 그들은 예를 들어 1 mm보다 더 짧은, 바람직하게는 0.2 mm보다 더 짧은, 이동 방향으로 상대적으로 짧다. 그들은 또한 높이 또는 깊이가 제한되며, 그들은 바람직하게는 상향 및/또는 하향으로 1 mm 이하, 또는 0.2 mm 이하로 연장된다. 몸체의 표면의 연속 영역은 2개의 이웃한 불연속부들 사이에 위치된다. 이러한 영역은 바람직하게는 이동 방향으로 불연속부에 대해 위에 진술된 치수들보다 적어도 10배, 특히 20배 더 길다.

표면의 거칠기는 바람직하게는 제조된 플라스틱 입자들이 표면 프로파일의 인접한 팁들(tips) 사이에 축적되는 것이 전적으로 불가능한 그러한 정도이다. 몸체 표면의 최대 거칠기(Rz)는 바람직하게는 플라스틱 입자들의 평균 입자 크기보다 적어도 10배 더 크다. 그것은 바람직하게는 심지어 적어도 50배 더 크다.

바람직한 변형예에 있어서, 개시 물품은 안내 튜브에 위치되고 그 내에서 이동 가능하게 안내된다. 또한, 개시 물품보다 더 부드러운 플라스틱 매스들(masses), 예를 들어 점성 재료를 사용하는 것이 가능하다.

가능한 한 구형 구조를 갖는 플라스틱으로부터 분상 물질을 제조하기 위한 디바이스는 적어도 5 m/s의 속도(v)로 이동되는 실질적 평활 표면을 구비한 몸체를 가지며, 그것은 접촉 영역에서 표면과 접촉하는 점성 내지 고체 개시 물품을 위한 공급 디바이스를 더 구비하며, 그것은 또한 접촉 영역에 근접하여 위치되는 수집 용기를 갖는다. 공급 디바이스는 개시 물품을 유지시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 그것은 또한 개시 물품을 특정 힘 또는 특정 압력으로 표면을 향하여 이동시키는 것을 가능하게 하며, 여기서, 그것은 또한 계속해서 새로운 개시 재료(starting material)를 전달한다. 이러한 방식으로, 충분한 양의 개시 재료들이 언제나 표면과 접촉한다는 것이 보장된다.

공급 디바이스는 바람직하게는 안내 튜브를 포함하며, 이는 접촉 영역의 바로 인근에 자유 단부를 갖는다. 개시 물품은 안내 튜브에서 이동 가능하게 안내된다. 안내 튜브는 자체가 치수적으로 안정하지 않은 개시 재료를 사용하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 안내 튜브는 개시 물품이 지지를 필요로 하지 않을 정도로 충분히 강성인 경우 면제될 수 있다.

접촉 영역에 근접한 출구 영역을 갖는 압출기가 바람직하게는 제공되며, 이로부터 개시 물품을 형성하는 플라스틱 재료가 배출되며, 여기서, 이러한 개시 물품은 표면과 접촉한다. 이러한 맥락에서, 큰 이점은 여전히 따뜻한 개시 물품이 중간 기간 또는 중간 저장과 같이 수행되는 다른 단계들 등에서 냉각시키는 것 없이 즉시 분쇄될 수 있다는 점에 존재한다. 이러한 방식으로, 용융물은 처리되어 분말을 인라인 및 따라서 배합(compounding) 직후에 형성할 수 있다. 운송 경로들은 더 짧아지며, 더 적은 에너지가 작업을 수행 시에 소비된다.

접촉 영역에 형성되는 플라스틱 입자들이 그 내에서 가능한 한 신속하게 가속되면 유리하다. 100 g보다 더 큰, 특히 1000 g 초과의 가속이 유리하다.

그것은 예를 들어 개시 물품을 냉각 또는 가열하기 위해, 개시 물품을 템퍼링하는 것이 유리할 수 있다. 특히, 이것은 공급 디바이스 내부에서 발생할 수 있다. 개시 물품의 상태가 점성 내지 경질로서 지정되는 경우, 점성에 대한 한계는 개시 물품이 그것이 표면과 접촉하기 전에 분리되지 않는 경우 만족되지만, 점성 개시 물품은 여전히 접촉 영역에서 발생하는 마찰 과정의 반력들(reaction forces)을 견디기에 충분히 단단하다. 안내 튜브는 반력들이 매우 짧은 거리에 걸쳐, 특히 안내 튜브의 자유 단부와 표면 사이의 틈새 공간(clearance space)으로 지향되는 것을 보장하는 역할을 한다. 안내 튜브는 대부분의 반력들을 흡수한다.

표면 거칠기의 정도는 분말 제조의 성공에 결정적이다. 중심선으로부터의 상향 및 하향 편차들의 산술 평균에 대응하는 "Ra 값"은 바람직하게는 10 ㎛ 미만, 특히 3 ㎛ 미만 및 바람직하게는 1 ㎛ 미만이다. 그것은 바람직하게는 입자들의 평균 직경보다 더 작으며, 바람직하게는 적어도 10배, 바람직하게는 50배 더 작다. 적합한 표면들은 적어도 3, 바람직하게는 더 높은, 즉 4, 5 또는 그 이상의 ASTMA A 480/48OA에 따른 표면들이다. 적합한 표면들은 적어도 1D, 바람직하게는 2D 이상, 즉, 예를 들어, 2B, 2G 등의 EN 10088-2에 따른 표면 지정을 갖는 추가의 표면들이다.

용어 고정된(stationary)은 개시 물품이 실질적으로 고정된 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 그것은 이동될 수 있다. 개시 재료를 정점의 반전으로 신속하게 이동시키는 것이 가능하지만, 몸체는 실질적으로 방해받지 않도록 남겨둔다. 이점들은 개시 물품이 이동되지 않고 완전한 상대적 이동이 몸체의 추진에 의해 달성되는 경우 장비의 관점에서 얻어진다.

본 발명의 추가 특징들은 종속항들에서 설명된다. 제한으로서 해석되지 않는 본 발명의 변형예들은 다음의 텍스트에서 보다 상세히 설명된다. 이러한 설명은 도면을 참조한다.

도 1은 분말을 제조하기 위해 설계된 디바이스의 제1 변형예의 개략적 표현이다.
도 2는 제2 변형예의 개략적 표현이다.
도 3은 제3 변형예의 개략적 표현이다.
도 4는 제4 변형예의 개략적 표현이며, 이는 제3 변형예와 유사하지만 직접 부착된 압출기를 갖는다.

다음 섹션에서, 도 1에 따른 변형예가 상세히 설명될 것이다.

다른 변형예들은 그들이 제1 변형예와 상이한 정도에 대해서만 설명될 것이다.

도 1은 몸체(20)를 도시하며, 여기서 원통형으로 구현된다. 그것은 축(22)을 중심으로 회전하며, 이는 이 경우 실린더 축이다. 회전 구동은 관련 기술에 따라, 예를 들어 약 30,000 rpm으로 공급된다. 원통형 몸체의 반경은 대략 약 20 mm이다. 결과적으로, 몸체(20)의 표면, 이 경우 실린더 배럴은 약 63 m/s의 속도로 움직인다.

이러한 표면(24)은 복수의 불연속부들(discontinuities)(26)을 제외하고 평활하다. 이들 불연속부들은 축(22)에 평행하게 연장되는 노치들 또는 홈들로서 실현된다. 그들은 예를 들어 0.5 mm의 깊이를 갖고 실린더의 전체 축방향 길이에 걸쳐 연장된다. 그들은 둘레에 대해 균일하게 분포되며, 예를 들어 4개 내지 8개의 그러한 불연속부들(26)이 실린더 배럴 상에 제공된다. 그들은 약 0.5 mm의 폭을 갖는다.

몸체(20)는 화살표(28)의 방향으로 이동한다. 이것은 몸체(20)의 이동 방향을 나타낸다. 몸체(20)의 표면(24)의 방해받지 않은(Undisturbed) 구역들은 이동 방향으로 2개의 인접한 불연속부들(26) 사이에 위치된다. 이동 방향의 그 길이는 이동 방향으로 측정된 불연속부(26)의 폭보다 상당히 더 크며, 이 경우 약 40배 더 크다.

고체 개시 물품(30)으로 만든 로드(rod)는 표면(24)과 접촉한다. 그것은 f 힘으로 이러한 표면(24)에 대해 가압되고, 화살표(32)를 참조하면, 그것을 향하여 추진된다. 화살표(32)는 또한 공급 디바이스를 나타낸다. 이러한 디바이스는 개시 물품(30)의 신선한 재료의 일정한 공급을 보장함으로써, 개시 물품(30)과 표면(24) 사이의 예시된 접촉이 영구적으로 유지된다.

이러한 접촉은 접촉 영역(34)에서 발생하며, 이것의 이러한 크기는 실질적으로 개시 물품(30)의 횡단면에 의해 결정되고 전형적으로 상기 횡단면보다 더 작다. 도시된 변형예에서, 개시 물품(30)은 둥근 로드(rod)이다. 그러나, 그것은 또한 상이한 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 그것은 직사각형 횡단면을 갖는 평탄 프로파일로서 구체화될 수 있다. 그러한 경우, 직사각형의 긴 측은 축(22)에 평행하게 연장된다.

상당한 마찰 열이 접촉 영역(34)에서 생성된다. 이것은 접촉 영역(34)에 근접한 개시 물품(30)의 재료의 매우 작은, 국부적인 부분의 용융을 초래한다. 이러한 과정에서, 재료는 일정하게 분리되며, 즉, 개시 물품(30)의 나머지와 그것의 결합(bond)으로부터 멀리 인열되고, 형상화된다. 놀랍게도, 구형 입자들이 형성된다는 것이 발견되었다. 이들은 매우 빠르게 가속되고 제트(36)로서 접촉 영역(34)을 나간다. 그들은 수집 용기(38)까지 이동한다. 도면이 도시된 바와 같이, 플라스틱 입자들(40)은 개시 물품에 실질적으로 접선 및 수직으로 접촉 영역(34)을 떠난다. 그들은 접촉 영역(34)을 쐐기(wedge) 형태로 접촉 영역(34)을 떠난다. 개시 물품(30)은 바람직하게는 힘 벡터(화살표(32) 참조)가 축(22)을 통과하는 그러한 방식으로 표면(24)과 배열된다. 사용될 수 있는 구동 모터들은 관련 기술들로부터 공지되어 있다.

도 2에 따른 변형예에서, 몸체(20)는 2개의 롤러들(42) 주위를 통과하고 진행하는 밴드에 의해 형성된다. 다시, 화살표(28)는 이동 방향을 나타낸다. 롤러들(42) 중 적어도 하나는 구동된다. 개시 물품(30)은 파선들에 의해 표현되는 바와 같이, 지지되지 않은 밴드형 몸체(20)의 영역 내로 가압될 수 있지만, 그것은 또한 롤러(42)의 외측 상의 밴드와 접촉할 수 있으며, 실선들을 참조한다.

도 3에 따른 변형예에서, 오비탈(orbital) 디스크가 몸체(20)로서 사용된다.

여기서 또한, 이동 방향은 화살표(28)에 의해 지시된다. 개시 물품(30)은 안내 튜브(44) 내부에 위치된다. 튜브는 고정적이다. 개시 물품(30)은 안내 튜브(44) 내측에서 이동 가능하게 지지된다. 안내 튜브(44)는 표면(24)의 바로 근처에 위치되는 자유 단부(46)를 갖는다. 결과적으로, 개시 물품(30)은 자유 단부(46)와 표면(24) 사이의 가능한 최단 거리에 대해, 거의 안내되지 않으며, 특히 측방향으로 지지되지 않는다. 그것은 이러한 작은 영역에서 반력들 자체를 유지시킬 수 있어야만 한다. 그렇지 않으면, 힘들은 안내 튜브(44)에 의해 흡수된다. 따라서, 도 3에 따른 설계는 덜 단단한 개시 물품(30)에 대해 특히 적합하다.

최종적으로, 도 4는 본 발명에 따른 장치와 압출기(48) 사이의 상호작용을 도시한다. 압출기는 따뜻한 플라스틱 재료를 개시 물품(30)으로서 전달하며, 이는 회전 디스크와 접촉하는 안내 튜브(44)를 통해 안내되며, 이는 도 3에 따른 변형예에서와 같이 몸체(20)를 형성한다. 이러한 변형예에서, 안내 튜브(44)는 개시 물품(30)이 충분히 안정된 경우 제거될 수 있다.

몸체(20)는 예를 들어, 금속으로 이루어지며, 예를 들어, 스테인리스 스틸로 이루어진다. 그것은 또한 세라믹으로부터 제조될 수 있다.

가능한 한 구형 구조를 갖는 분상 플라스틱 입자들을 제조하기 위한 방법에 있어서, 플라스틱의 개시 물품(30), 특히 점성 내지 고체 개시 물품(30)은 개시 물품(30)에 대해 적어도 5 m/s의 속도(v)로 이동되는 몸체(20)의 평활 표면(24)과 접촉하기 된다. 개시 물품(30)과 몸체(20) 사이의 접촉 영역(34)에서, 개시 물품(30)은 국부적으로 가열되고 몸체(20)의 이동 방향으로 접촉 영역(34) 밖으로 분상 형태로 던져진다.

열 변형 온도(heat deflection temperature(HDT))가 높을수록, DIN EN ISO 75-1 내지 3을 참조하면, 분상 형태의 분사성(sprayability)이 더 양호하다. 열 변형 온도는 바람직하게는 100℃ 이상이어야 한다. 이것은 냉각 없이 잘 분사하는 것을 가능하게 한다. 이것의 효과는 스레드들(threads)이 형성되지 않고 바람직하지 않은 거친 재료가 바람직한 양의 미세 재료, 즉, 본 발명으로 수득되는 분상 플라스틱들에 적정한 비율로 남아 있다는 것이다.

열 변형 온도가 낮을수록, 접촉 영역, 즉 "가열 영역", 몸체의 표면에 대해, 또한 지칭되는 "이송 영역"은 더 작아야만 한다.

열 변형 온도가 낮을수록, 속도(v)는 더 느려야 한다. 이러한 방식으로, 그것은 멀리 이송될 수 없는, 너무 많은 양이 용융되는 것을 방지하는 것이 가능하다.

접촉 영역은 방법이 진행되고 있는 동안 플라스틱으로 코팅 또는 커버되지 않아야 하지만, 오히려 그것 없이 크게 유지해야 한다. 예를 들어 롤러의 접촉 영역의 코팅은 그 자체에서 그리고 그 자체의 문제로 간주되지 않아야 한다. 그러나, 충전이 과도하게 되면, 스레드들이 형성될 수 있다.

연질 개시 물품 및 그렇지 않으면 동일한 파라미터들의 경우, 돌출부들 및/또는 오목부들의 크기는 - 후자는 또한 함몰부들로 칭하여짐 - 더 단단한 개시 물품의 경우보다 입자 크기 분포에 더 큰 영향을 미친다. 롤러의 회전 방향과 반대인 함몰부가 넓을수록, 분말은 더 거칠다.

다음은 연질 개시 물품에 대해 적용된다: 몸체의 평활 표면의 부분, 즉 돌출부들 및/또는 오목부들이 없는 부분이 작을수록, 몸체 - 예를 들어 롤러 -는 더 적게 코팅된다.

평활 표면부와 함몰부들 사이의 비율은 평활 표면부와의 접촉에 의해 용융되는 개시 물품이 함몰부들에 의해 멀리 이송되고 후속적으로 분리될 수 있도록 선택되어야만 한다.

열 변형 온도가 높을수록, 플라스틱 입자들은 더욱 구형이 된다. 가능한 한, 이러한 온도는 바람직하게는 110℃ 이상, 보다 바람직하게는 125℃ 이상 특히 150℃ 이상 그리고 심지어 175℃ 이상이어야 한다.

섬유성 분말도 날카로운 에지들 및 코너들을 회피함으로써 유동적일 수 있다. 부분들(parts)의 크기는 덜 중요하다. 이것은 TPU로 실험적으로 증명되었으며, 이는 125 ㎛에서, 그리고 500 ㎛에서 거의 전혀 스크린될 수 없었다. 따라서, >500 ㎛에서 20,000 ㎛까지의 입자 크기들(거친 재료)이 존재하였다. 심지어 첨가제들 없이 분리되는 최소 경향만을 나타내는 유동 거동이 드러났다.

달리 동일한 조건들 하에서, 개시 물품이 점진적으로 냉각됨에 따라, 즉 개시 물품의 온도가 떨어짐에 따라, 입자 분포는 더 거칠어진다. 이것은 더 높은 속도(v), 특히 롤러의 회전 속도에 의해 상쇄된다. 속도(v)가 60 m/s로부터 160 m/s로 증가되는 경우, 시험에서 분말은 3+ 더 미세한 입자 분포로 획득되었으며, 예를 들어, 이는 3배만큼 미세하다. N₂냉각으로 연질 재료들(열 변형 온도 <100　℃)에 대한 50 m/s로부터 250 m/s까지의 범위의 증가의 경우, 비율은 거의 선형인 것으로 나타난다.

개시 물품은 바람직하게는 마이너스 50　℃ 아래, 특히 마이너스 100　℃ 미만의 온도, 예를 들어, 대략 액체 질소의 온도로 냉각되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 냉각되는 것은 몸체, 예를 들어 롤러가 아니라, 개시 물품이다. 이러한 방식으로, 방법, 즉 가장 얇은 가능한 용융 층의 형성 방법의 과정을 결정하는 것은 그것이 함몰부들에 의해 멀리 이송되기 전에 달성된다.

예를 들어 금속이 파일로 파일링되거나 금속 가공물이 연삭 디스크로 연마될 때 발생하는 것과 같은 순수 기계적 제거는 바람직하지 않다. 기계적 제거로부터의 차별화는 매우 짧은 기간(<1 sec) 동안 재료가 융합되고/되거나 용용된다는 점으로 정의된다.

롤러는 바람직하게는 예를 들어, 120도의 각도만큼 각각 오프셋되는 3개의 개시 물품들에 의해 접촉되는, 그 둘레 주위에 퍼지는 다수의 개시 물품들로 충전된다. 이것은 대부분의 물질들이 몸체를 구성하고 기류들에 의해 안내되는 롤러로부터 빠르게 분리되기 때문에 가능하다.

개시 물품은 압력 또는 특정 힘으로 몸체, 특히 롤러에 대해 이동되어야 한다. 이러한 맥락에서, 속도는 개시 물품이 거친 재료를 초래하지만, 동시에 롤러의 공급 효과를 지지하기에 충분하지 않은, 너무 큰 영역에 걸쳐 용융되지 않도록 측정되어야 한다. 힘은 재료에 따라 범위가 1000 N 내지 100,000 N 이하에 있어야 한다.

개시 물품이 상승된 온도들에서 보다 치수적으로 안정할수록, 압력 또는 힘은 더 커야 한다. 그 다음, "연기"처럼 보이는 효과가 개시된다. 이것은 전형적으로 30 ㎛ 아래 범위의 입자들로 구성된다. 더 연질의 재료들은 보다 종종 롤러에 의해 "연행되는(entrained)" 경향이 있다.

예를 들어, 열 변형 온도 >100℃를 갖는, 상승된 온도에서 치수적으로 안정한 개시 물품은 바람직하게는 롤러의 중간에 대해 배치되어야 한다. 100　℃ 아래의 열 변형 온도를 갖는 재료는 온간 분사(warm spraying)(즉, 냉각 없음)의 경우 롤러에 적용되어야 하거나, 저온 분사(cold spraying)의 경우 열 변형 온도 >100　℃를 갖는 재료에 대해서 처리되어야 한다. 온간 분사 과정은 냉각 없는 분사를 의미하는 것으로 이해된다.

50m/s 아래의 v를 갖는 분사가 가능하지만, 용융을 위한 접촉 영역이 너무 커야만 하고, 결과적으로 너무 적은 전력 공급이 이용 가능해야 하기 때문에, 경제적으로 실행 가능하지 않다.

함몰부들(depressions)은 바람직하게는 구형 세그먼트의 형상이다. 그들은 또한 딤플들(dimples)로 칭하여 진다. 그러한 종류의 함몰부들은 또한 예를 들어, 골프 공들에서 발견된다. 딤플들을 갖는 롤러는 딤플들의 원형 내에서 일정하게 변하는 원심력들로 인하여 함몰부들의 다른 기하학적 구성들보다 더 미세한 분무화(atomisation)를 가능하게 한다.

방법이 수행되고 있는 동안, 롤러는 재료에 특정한 최종 온도를 취하며, 그러나 이것은 항상 개시 물품의 용융 포인트 아래이어야 한다. 그것은 통상 롤러의 외부 냉각을 제공할 필요는 없다.

상승된 온도들(>100　℃)에서 치수적으로 안정한 개시 물품들의 경우, X10, X50, X90 분율의 분말도(finess)는 롤러의 원주 속도(v)가 증가함에 따라, 10% 내지 20% 범위에서, 약간만 변한다. 값 v가 더 크게 될수록, 분율들은 더 미세하게 된다. 분말/h의 양은 압력이 동시에 증가되는 경우 속도(v)에 따라 증가한다. 그러나, 압력은 오히려 1/2 내지 1/3의 범위에서, 선형으로 증가하지 않아야만 한다.

냉각된 개시 물품 및 >100　℃의 열 변형 온도를 갖는 개시 물품들 둘 다는 각각의 경우에서 압력, 원주 속도 및 냉각의 관점들에서 개별적으로 경제적 설정들을 갖는 X10:25 X50:60 X90:95 X99:115로부터의 범위에서 입자 분포를 산출한다. 분말은 125 ㎛에서 스크린되었다.

열 변형 온도가 100　℃ 위에서 높을수록, 냉각은 개시 물품에 대해 덜 필요하다. 개시 물품의 낮은 열 변형 온도는 더 낮은 온도로 냉각함으로써 특정 정도로 대체될 수 있다. 일반적으로, 그것은 개시 물품이 낮은 열 전도성을 가지면 유리하다.

개시 물품이 다공성인 경우, 예를 들어 작은 공기 포접들(inclusions)을 갖거나 발포체(foam)로서 존재하는 경우 유리하다. 다공성 등은 공기 포접들이 접촉 영역의 유효 면적, 및 그와 함께 동시에 용융되는 영역을 감소시키며, 따라서 더 작은 플라스틱 입자들을 생성하기 위한 조건들을 제공하는 효과를 갖기 때문에 분사 과정을 촉진시킨다. 동시에, 롤러 상에 개시 물품에 의해 가해지는 압력 또는 힘은 그것의 더 낮은 마찰의 결과로서 증가될 수 있다.

100℃보다 더 높은 연화 온도(softening temperature)를 갖고 일반적으로 온간 분사(warm spraying)에 적합한, 즉 추가적인 냉각이 없는 개시 물품은 액화 가스가 냉각을 위해 사용되는 경우 더 거칠고 보다 섬유성이 된다. 이러한 경우, 냉각은 방법-정의 용융 필름의 형성을 방지하고, 재료는 대신에 마모에 의해 오히려 제거된다. 그것이 잠깐 용융되었다는 것이 분별될 수 있지만, 이러한 단계(phase)는 너무 짧아서 125 ㎛ 아래 범위에서 경제적으로 유용한 양들의 구형 입자들의 형성을 초래하지 못한다.

다공성 개시 물품은 분사 동안에 최종 물질의 벌크 밀도(pSch)를 감소시키지 않는다. (다공성 PEKK는 265의 벌크 밀도를 산출하고/고체 PEKK는 유사한 입자 크기 분포를 갖는 270의 벌크 밀도를 산출한다). 표 1 참조:

최대 원주 속도 v(m/s)

열 변형 온도(℃)	온간(warm)	O℃ 내지 -150℃ 아래로 N₂ 로 냉각
>100	200+	200+(이때, 온간보다 더 거칠고 보다 섬유성임)
<100	50-100(냉각보다 더 거칠고 보다 섬유성임)	100―200 +

본 발명에 따른 방법은 분쇄하기 매우 어렵거나 불가능한 개시 물품들로부터 분말들의 제조를 가능하게 하는 것만은 아니다. 그것은 또한 가능한 한 구형에 근접한 형상을 갖는 분말을 산출한다. 이것은 본 방법의 현저한 특징이다. 그것은 벌크 밀도 및 충전 밀도(tamped density) 뿐만 아니라 유동성을 증가시키는 효과를 갖는다(nid=106849980X 참조).본 발명에 따른 방법은 또한 그들의 충전물 때문에 분쇄에 대해 매우 부적합하거나, 충전물이 파괴되는 충전된 개시 물품들에 또한 적합하다. 이들은 예를 들어 GF, CF와 같은 섬유들을 포함하지만, 또한 철 성분들, 자철석 등등일 수 있다. 이것은 보강 재료 또는 또한 전도성 재료, 예를 들어, 소결된 (SLL, SLA)로 만든 플라스틱 부품들이 또한 처리되는 것을 가능하게 한다.

본 발명은 이전에 다음의 개시 물품들로 성공적으로 수행되었다: PP, HDPE, POM, TPU, PEEK, PEKK, PEI, PPS. 충전물과 함께 이전에 분사된 분말들: PPS+유리 섬유, PEKK+탄소 섬유, PEKK+자철석.

본 발명에 따라 분무될 때, TPU - 이는 종래의 분쇄 후에 응집되는 경향이 있는 것으로 알려져 있고 만족스러운 주입 거동이 획득되기 전에 최대 48시간 동안 먼저 회복하도록 허용되어야만 함 -는 본 발명에 따른 방법이 사용될 때 이러한 문제(complication)를 나타내지 않고, 그것은 즉시 유동가능하고 처리될 수 있다. 이것은 임의의 여분의 첨가제들이 없다. 따라서, 임의의 첨가제들이 후속적으로 바람직한 경우, 첨가제의 양은 감소될 수 있어서, 최종 생성물에서 개선된 용융 거동 및 더 양호한 속성들을 초래한다. 이것은 슬러셔들(slushes)에 대해서 뿐만 아니라 SLL, SLA에 대해서 상당한 이점을 나타낸다.

낮은 열 변형 온도(100℃ 아래)를 갖는 생성물들의 경우, 추가적인 냉각은 액화 가스, CO₂ 또는 N₂를 사용하여 수행될 수 있다.

높은 열 변형 온도(100℃ 이상, 150℃ 이상)를 갖는 생성물의 경우, 높은 에너지 입력은 짧은 접촉 시간 동안 충분한 개시 물품(또한 재료로 지칭됨)을 용융시키기 위해 요구된다. 따라서, 추가적인 냉각을 최소화하도록 시도하는 것이 필요하다.

본 발명에 따른 방법에서, 가능한 한 개시 물품은 단지 매우 짧게 그리고 (더 낮은) 용융 포인트에 근접한 온도에서만 용융된다. 결과적으로, 재료의 화학적 속성은 최소한으로만 억제된다. 이것은 DSC에 의해 PEKK에 대해 입증되었다. 임의의 폴리머 열화가 거의 발생하지 않는다. 방법의 특성에 의해, 분말은 비정질이다. 결정성이 요구되는 경우, 그것은 후속으로 조정되어야만 한다.

보다 구형의 플라스틱 입자들을 수득하고 그래서 벌크 중량을 증가시키기 위해, 제조되는 분말은 본 방법을 따르고 그것의 열을 사용하고 추가적인 열을 도입함으로써 중력 챔버 내의 자유 낙하에서 즉시 용융될 수 있다. 이러한 과정에서, 플라스틱 입자들의 외부 쉘은 용융되고 개선된 구형 구조들이 형성된다. 중력 챔버는 그것의 에지에 대한 고착을 방지하기 위해 원추형으로 펼쳐져야만 한다. 게다가, 이러한 챔버 내의 공기가 가열되는 온도는 개시 물품의 실제 용융 온도보다 25% 더 높은 온도이어야 하므로, 챔버는 필요한 노출 시간을 얻기 위해 연장될 필요가 없다. 본 맥락에서 가장 중요한 고려사항은 이러한 효과가 응집에 의해 <5 ㎛의 미세 함량을 감소시키기 위해 고의적인 시도로 의도되지 않는 한, 전문적인 공기 라우팅에 의해 플라스틱 입자들이 단독으로 용융되고 서로 고착하지 않는 충분한 공간을 갖는다는 것이다. 선택된 낙하 거리 후에, 개시 물품의 열 용량에 따라, 재료가 스크린될 수 있도록 수득된 분상 재료를 액화 가스 N₂ 또는 CO₂로 즉시 냉각하는 것이 바람직하다.

20 몸체
22 축
24 표면
26 불연속부
28 화살표
30 개시 물품
32 화살표
34 접촉 영역
36 제트
38 수집 용기
40 플라스틱 입자들, 입자들
42 롤러
44 안내 튜브
46 자유 단부
48 압출기

Claims

구형 구조를 갖는 분상 플라스틱 입자들(40)을 제조하기 위한 방법에 있어서, 플라스틱으로 만든 개시 물품(30), 즉 고정된 점성 내지 고체 개시 물품(30)은 상기 개시 물품(30)에 대해 적어도 5 m/s의 속도(v)로 이동되는 몸체(20)의 표면(24)과 접촉됨으로써, 상기 개시 물품(30)과 상기 몸체(20) 사이의 접촉 영역(34)에서 상기 개시 물품(30)이 국부적으로 가열되고, 분리되어 상기 몸체(20)의 이동 방향으로 상기 접촉 영역(34) 밖으로 분상 형태로 던져지는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 몸체(20)는 실린더 축을 중심으로 회전되는 실린더이고, 상기 개시 물품(30)은 상기 실린더의 실린더 배럴 또는 상기 실린더의 원형의 원통형 영역과 접촉하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 몸체(20)의 다른 평활 표면(24)은 돌출부들 및/또는 오목부들의 형태인 불연속부들(26)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제3항에 있어서,
상기 몸체(20)의 상기 이동 방향의 상기 불연속부들(26)은 2개의 인접한 불연속부들(26) 사이의 거리의 10%보다 더 짧은 것을 특징으로 하는, 방법.
제3항에 있어서,
상기 몸체(20)의 상기 이동 방향의 상기 불연속부들(26)은 2개의 인접한 불연속부들(26) 사이의 거리의 5%보다 더 짧은 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 속도(v)는 적어도 10 m/s인 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개시 물품(30)은 적어도 1 N의 힘으로 상기 몸체(20)에 대해 가압되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분상 플라스틱들의 평균 입자 크기는 상기 몸체(20)의 상기 표면(24)의 최대 거칠기(Rz)보다 더 크며, 즉 적어도 10배 더 큰 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라스틱 입자들(40)을 위한 수집 용기(38)는 상기 이동 방향으로 상기 몸체(20) 뒤에 배열되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 몸체(20)의 재료 및/또는 상기 속도는 상기 개시 물품(30)의 어떠한 양도 상기 표면(24)에 부착되지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
안내 튜브(44)가 제공되며, 이는 상기 개시 물품(30)을 둘러싸고, 여기서 상기 개시 물품(30)이 이동 가능하게 안내되고, 이는 상기 몸체(20)의 상기 표면(24)에 바로 인접하여 종료하지만 상기 표면(24)과 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개시 물품(30)을 전달하는 압출기(48)가 제공되고, 상기 개시 물품(30)이 나가는 상기 압출기(48)의 그러한 출구 영역은 상기 몸체(20)에 근접하여 위치되고, 상기 나가는 개시 물품(30)은 상기 몸체(20)와 접촉하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 플라스틱 물질을 분리하여 구형 구조를 갖는 플라스틱으로부터 분상 물질들을 제조하기 위한 디바이스에 있어서, 접촉 영역(34)에서 상기 표면(24)과 접촉하여 위치되는, 점성 내지 고체 개시 물품(30)에 대해, 적어도 5 m/s의 속도(v)로 이동되는, 표면(24)을 갖는 몸체를 갖고, 상기 접촉 영역(34)에 근접하여 위치되는 수집 용기(38)를 갖는, 디바이스.
제13항에 있어서,
상기 접촉 영역(34)의 바로 인근에 자유 단부(46)를 갖고 상기 개시 물품(30)이 이동 가능하게 안내되는 안내 튜브(44)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
제13항에 있어서,
압출기(48)가 제공되며, 이는 상기 접촉 영역(34)에 근접하여 위치되는 출구 영역을 갖고 이로부터 상기 개시 물품(30)을 형성하는 플라스틱 재료가 나가고, 이러한 개시 물품(30)은 상기 표면(24)과 접촉하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.