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Mechanical strength reinforcement by alginate binders in three dimensional powder printing = 알지네이트 바인더를 이용하여 파우더기반 3D 프린터로 프린팅한 물체의 강도 향상에 관한 연구
서명 / 저자 Mechanical strength reinforcement by alginate binders in three dimensional powder printing = 알지네이트 바인더를 이용하여 파우더기반 3D 프린터로 프린팅한 물체의 강도 향상에 관한 연구 / Yeonjae Jeong.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2016].
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초록정보

For the 3D printing industry, materials that satisfy the current manufacturing industry are needed. Powder bed and inkjet 3d printing, known as 3D printing (3DP), brings a new level of considerable material flexibility to the manufacturing industry. In addition, with the appropriate choice of powders and binders, sturdy structures that are conformable, colorful, and robust can be produced. Especially, binders are consid-ered to be significant factors due to their transparency, adhesiveness, and reliability. However, one of the problems of using commercial binders is the post processing. The post-treatment process of the 3DP struc-ture is necessary with additional adhesive due to their weak stability, otherwise the structure can get frag-mented or powder dusts at the surface can be easily blown away after the manufacturing. Therefore, blowing the powder and adding cover adhesives are needed, but most of the cover adhesives composed of 2-methoxyethyl-2-cyanoacrylate which also cause skin irritation, serious eye irritation, and respiratory irrita-tion. One of the solutions to not go through with post-treatment process is to combine powders and bind-ers with stronger and biocompatible adhesives. One of which is derived from marine brown algae, Laminaria Hyperborea. The brown algae produce alginate, which is reported to chelate with divalent or trivalent cati-ons. Here, we propose a new 3DP systems for manufacturing the powder based structures. The powder, which is generally used, is composed of calcium sulfate hemihydrate which can be transformed to a ‘needle-shape’ when it adsorbs water based binder. Then the powder undergo physical crosslinking and the binders help to make more solid structures. By binding the powder with alginate solution and stacking layer by layer with binders, we demonstrate the sturdy structures are made. Solidification undergo at molecular level with powder and alginate binder solution. The shape of granular powder is converted into needle crystal and met-al coordination is occur between alginate and calcium cation, concurrently. In addition, vacuum treatment steps after stacking the structures improve the mechanical strength similar to existing post-treatment using cover adhesives. The study suggests that biocompatible adhesives and vacuum treatment without toxic cover adhesives can enhance mechanical properties of powder based 3DP structures.

3D 산업은 현재 사용되고 있는 산업에서 필요한 물질로 생산하기 위한 연구가 진행되 고 있다. 이 중 파우더기반 3D 프린팅, 또는 3DP 프린팅은 제조산업에 사용되는 물질의 종류에 다양성을 부여하였다. 또한 파우더와 바인더를 적절히 고르면 안정하고, 색감이 있고, 견고한 물체를 만들 수 있다. 과거 많은 연구에서는 강하고 여러 곳에 적용이 가능한 가치있는 물체를 만들기 위한 연구가 진행되었다. 그 중 인공뼈의 제조, 임플란트 분야로 많은 연구가 이루어졌다. 이 과정에서 바인더의 투명성, 접착성, 신뢰성 성질은 물체를 만드는 데 중요한 요소가 된다. 상업적으로 사용하는 3DP 프린터의 파우더는 석고파우더 (황산칼슘 반수화물) 이다. 그런데, 기존 시스템에서의 바인더에는 피부접촉, 흡입, 삼킴 등에 반응을 일으키는 피롤리돈이 함유되어 있어 인체에 유해하다. 또한, 기존 바인더로 프린팅을 한 물체의 강도와 안정성이 약하여 쉽게 부스러지고, 표면에서도 경화되지 못한 파우더가 날리는 문제가 발생한다. 따라서 후처리 과정이 필요한데, 후처리에 사용되는 메톡시에틸시아노아크릴레이트는 후처리 완료 후에 오랜 시간 동안 화학적 냄새가 남아있으며 눈, 호흡기 등이 매우 유해하다. 이 문제를 해결하기 위해서는 물체를 좀 더 단단하게 경화시킬 수 있는 인체 친화적인 바인더가 필요한데, 그 중에 하나가 해조류에서 추출한 알지네이트를 사용하는 것이다. 알지네이트는 자연에서 추출한 다당류의 한 종류로 $Ca^{2+}$, $Ba^{2+}$, $Al^{3+}$ 등의 양이온들과 킬레이트 작용을 할 수 있는데, 파우더의 성분이 물에 녹아 칼슘 양이온이 나오면 알지네이트와 작용하여 좀 더 단단한 물체를 만들 수 있다. 이 성질을 이용하여 우리는 새로운 3DP 프린팅 시스템을 고안하였다. 현재 널리 사용되는 3DP 파우더인 석고파우더는 물을 흡수하면 침상구조로 재결정화 되면서 물리적인 결합을 할 수 있다. 따라서 알지네이트를 함유한 물을 바인더로 사용하여 파우더를 한 층씩 쌓으면 물을 사용했을 때 보다 견고하며 인체친화적인 물질이 만들어지는 것을 확인하였다. 또한, 완성한 물체를 진공으로 처리함으로써 기존에 접착제로 후처리한 것과 비슷한 강도를 갖는 물체를 만들 수 있다. 이 결과는 알지네이트의 킬레이션 작용과 진공처리를 통해 파우더를 기반으로 만든3DP 물체의 기계적 강도를 증가시킴으로써3D 프린터 산업에 적용 가능성을 제시한다.

서지기타정보

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청구기호 {MCH 16013
형태사항 v, 33 p. : 삽화 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 정연재
지도교수의 영문표기 : Haeshin Lee
지도교수의 한글표기 : 이해신
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 화학과,
서지주기 References : p. 26-29
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