JP6804542B2

JP6804542B2 - ３次元プリンティング装置

Info

Publication number: JP6804542B2
Application number: JP2018537598A
Authority: JP
Inventors: キリョンチャ，; サンギュイ，
Original assignee: ３ディーコントロールズインコーポレイテッド
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2036-08-02
Also published as: CN108136501A; KR101776616B1; US10843263B2; WO2017057838A1; EP3357673A4; KR101806252B1; EP3357673B1; US20180281062A1; CN108136501B; KR20170040059A; EP3357673A1; KR20170040060A; JP2018536770A

Description

本発明は、３次元プリンティング用の金属粉末含有組成物とこれを原料とする３次元プリンティング方法および３次元プリンティング装置に関し、金属粉末含有組成物を用いて高強度性と共に高精密度を要する金属製品を３次元プリンティング技術によって製造できるようにする３次元プリンティング用の金属粉末含有組成物とこれを原料とする３次元プリンティング方法および３次元プリンティング装置に関する。本発明は、２０１５年１０月２日に出願された韓国特許出願第１０−２０１５−０１３９１４１号の出願日の利益を主張し、その内容の全ては本明細書に含まれる。

３次元（３Ｄ、３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）プリンタは、印刷しようとする対象に対する３次元データを用いて、その対象と同一または類似の形態を有するように３次元に形状物を成形する装置である。３次元プリンティングは、様々な分野でその使用が広がっていきつつある。このような３次元プリンタは、過去には大量生産以前のモデリングやサンプル製作のような用途として活用されたが、最近には多品種の少量生産製品を中心に量産可能な製品の成形にも使用できる技術的基盤が造成されることにより、複数の部品からなる自動車分野の他にも医療用の人体模型や歯ブラシやカミソリのような家庭用製品などの様々な模型を作るための用途として多くの製造業者が使っている。

３次元プリンタの製品成形方式には、大きく、対象物体を２次元の平面形態に成形したものを３次元に積層しつつ溶融付着して形態を作っていく、いわゆる、添加型と、材料塊を彫刻することのように切削して形態を作っていく切削型がある。そして、添加型の一種として、熱可塑性プラスチックからなるワイヤーまたはフィラメントを供給リールと移送ロールを介して供給し、供給されたフィラメントを作業台に対して相対的にＸＹＺの３方向に位置が調節される３次元移送器具に取り付けられた押出ヘッドのノズルから溶融させて排出することにより、２次元の平面形態（プリント層）をプレート上に繰り返し積層して、印刷しようとする対象の３次元形状を有する製品を成形するフィラメント溶融積層成形方法がある。

現在、３Ｄプリンティングに最も多く用いられる素材は、光を受ければ固まる光硬化性高分子物質「フォトポリマー（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ）」である。これは、全体市場の５６％を占める。その次に人気のある素材は、溶けたり固くなったりするのが自由な固体形態の熱可塑性プラスチックであって、市場の４０％を占める。熱可塑性プラスチック素材の形態としてフィラメント（ｆｉｌａｍｅｎｔ）形態が主に用いられており、現存するフィラメント素材としてはポリ乳酸（ｐｏｌｙｌａｃｔｉｃａｃｉｄ、ＰＬＡ）、ＡＢＳ（ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｂｕｔａｄｉｅｎｅｓｔｙｒｅｎｅ）、ＨＤＰＥ（ｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）などが用いられている。

しかし、上述したようなプラスチック素材は、硬度が低いという問題を有するため、高強度性と高精密度を要する金属部品のような鋼製品を成形するには好適ではないという限界がある。

大韓民国公開特許第１０−２０１５−００２５８６５号（公開日：２０１５年３月１１日、発明の名称：３Ｄプリンタ用の金属樹脂組成物）

本発明の目的は、金属粉末が含まれた原料を用いて３次元プリンティングを行うことにより、機械的物性に優れ、高精密度を要する金属製品を成形できるようにする３次元プリンタの供給原料として用いられる金属粉末含有組成物とこれを原料とする３次元プリンティング方法および３次元プリンティング装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、３次元プリンティングにより成形された金属製品の機械的物性を保障できるようにする金属粉末が含まれた組成物を提供することにある。

なお、本発明の目的は、金属粉末が含まれた原料を用いて３次元プリンティングを行うことにより、機械的物性に優れ、高精密度を要する金属製品を成形できるようにする３次元プリンティング方法と３次元プリンティング装置を提供することにある。

前記のような目的を達成するために、本発明に係る３次元プリンティング用の金属粉末含有組成物は、３次元プリンタの印刷ヘッドに供給される原料として用いられる金属粉末含有組成物であって、金属粉末と高分子バインダーを混練し粉砕および造粒化したものであることを特徴とする。

この時、前記金属粉末は、ＳＵＳ−３０４ＬまたはＳＵＳ−３１６Ｌの鋼組成を有するオーステナイト系ステンレス金属粉末に該当してもよい。

この時、前記金属粉末は、Ｃ：０．０３重量％以下、Ｓｉ：１．０重量％以下、Ｍｎ：１．０重量％以下、Ｃｒ：１８〜２０重量％、Ｎｉ：１０〜１２重量％、Ｍｏ：０．２重量％以下、Ｐ：０．０３重量％以下、Ｓ：０．０３重量％以下、残部Ｆｅおよびその他の不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス金属粉末であってもよい。

この時、前記金属粉末は、Ｃ：０．０３重量％以下、Ｓｉ：１．０重量％以下、Ｍｎ：１．５重量％以下、Ｃｒ：１６〜１８重量％、Ｎｉ：１１〜１４重量％、Ｍｏ：２〜３重量％、Ｐ：０．０３重量％以下、Ｓ：０．０３重量％以下、残部Ｆｅおよびその他の不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス金属粉末であってもよい。

この時、前記高分子バインダーは結合剤、可塑剤および潤滑剤を含んでもよい。

この時、本発明に係る３次元プリンティング用の金属粉末含有組成物は、前記金属粉末９０．０〜９４．０重量％、前記結合剤３．０〜５．０重量％、前記可塑剤２．５〜３．５重量％および前記潤滑剤０．５〜１．５重量％を含んで構成されてもよい。

この時、前記結合剤は、ポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）共重合体に該当してもよい。

この時、前記可塑剤は、パラフィンワックス（Ｐａｒａｆｆｉｎｗａｘ）に該当してもよい。

この時、前記潤滑剤は、ステアリン酸（Ｓｔｅａｒｉｃａｃｉｄ）に該当してもよい。

この時、本発明に係る３次元プリンティング用の金属粉末含有組成物は、前記金属粉末と前記高分子バインダーが１７０℃以上の温度で混練され、ペレタイザーによって一定粒度を有するペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）に造粒化して製造されてもよい。

また、前記のような目的を達成するために、本発明に係る金属粉末含有組成物を原料とする３次元プリンティング方法は、金属粉末と高分子バインダーを混練し粉砕および造粒化して金属粉末含有組成物を準備する原料準備ステップ、前記金属粉末含有組成物を３次元プリンタの押出ヘッドに供給する原料供給ステップ、前記押出ヘッドのノズルを介して溶融した金属粉末含有組成物をプレート表面に吐出して前記プレート上にプリント層を積層する積層ステップ、前記積層ステップを繰り返し行って、印刷しようとする対象の３次元形状に前記プリント層を連続的に積層して半製品を成形する成形ステップ、前記成形ステップで成形された半製品から前記高分子バインダーを除去する脱脂ステップ、および前記脱脂ステップで高分子バインダーが除去された半製品を焼結および冷却して、前記印刷しようとする対象の３次元形状を有する最終鋼製品として抽出する焼結ステップを含むことを特徴とする。

この時、前記原料準備ステップにおいては、前記金属粉末と高分子バインダーを混練し、一定粒度を有するペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）に造粒化して金属粉末含有組成物を準備してもよい。

この時、前記金属粉末は、Ｃ：０．０３重量％以下、Ｓｉ：１．０重量％以下、Ｍｎ：１．０重量％以下、Ｃｒ：１８〜２０重量％、Ｎｉ：１０〜１２重量％、Ｍｏ：０．２重量％以下、Ｐ：０．０３重量％以下、Ｓ：０．０３重量％以下、残部Ｆｅおよびその他の不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス金属粉末に該当してもよい。

この時、前記金属粉末は、Ｃ：０．０３重量％以下、Ｓｉ：１．０重量％以下、Ｍｎ：１．５重量％以下、Ｃｒ：１６〜１８重量％、Ｎｉ：１１〜１４重量％、Ｍｏ：２〜３重量％、Ｐ：０．０３重量％以下、Ｓ：０．０３重量％以下、残部Ｆｅおよびその他の不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス金属粉末に該当してもよい。

この時、前記原料準備ステップにおいては、前記金属粉末９０．０〜９４．０重量％、前記結合剤３．０〜５．０重量％、前記可塑剤２．５〜３．５重量％、前記潤滑剤０．５〜１．５重量％を混練し粉砕および造粒化して前記金属粉末含有組成物を準備してもよい。

この時、前記結合剤はポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）共重合体であり、前記可塑剤はパラフィンワックス（Ｐａｒａｆｆｉｎｗａｘ）であり、前記潤滑剤はステアリン酸（Ｓｔｅａｒｉｃａｃｉｄ）に該当してもよい。

この時、前記原料準備ステップにおいては、前記金属粉末と高分子バインダーを１７０℃以上の温度で混練してもよい。

この時、前記原料供給ステップにおいては、前記金属粉末含有組成物を造粒化したペレットを溶融した後、加圧射出して前記３次元プリンタの押出ヘッドに供給してもよい。

この時、前記原料供給ステップにおいては、前記金属粉末含有組成物を造粒化したペレットを前記３次元プリンタの押出ヘッドに供給し、前記押出ヘッドから発生する熱によって溶融させてもよい。

この時、前記脱脂ステップは、前記半製品を溶媒に浸漬させて前記高分子バインダーのうち前記可塑剤と潤滑剤を除去する溶媒脱脂ステップ、および前記溶媒脱脂ステップで半製品を加熱して前記高分子バインダーのうち前記結合剤を除去する熱間脱脂ステップを含んでもよい。

この時、前記溶媒脱脂ステップにおいては、前記半製品を２５〜３５℃のテトラヒドロフラン（Ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）またはヘプタン（Ｈｅｐｔａｎｅ）溶媒に２４時間以上浸漬させて前記可塑剤と潤滑剤を除去してもよい。

この時、前記熱間脱脂ステップにおいては、窒素（Ｎ_２）雰囲気で５００℃にまで段階的に昇温しながら前記半製品を加熱して前記結合剤を除去してもよい。

この時、前記焼結ステップは、真空雰囲気で１，０００℃にまで段階的に昇温しながら前記半製品を加熱する一般焼結ステップ、１，０００〜１，２００ｂａｒのアルゴン（Ａｒ）雰囲気で、１，３５０℃にまで段階的に昇温した後、１，３５０℃で１〜３時間維持させて前記半製品を加熱する熱間静水圧焼結ステップ、および前記半製品を常温にまで冷却して最終鋼製品を抽出する冷却ステップを含んでもよい。

この時、本発明に係る金属粉末含有組成物を原料とする３次元プリンティング方法は、前記焼結ステップ前に、前記脱脂ステップで前記高分子バインダーが除去された半製品を真空雰囲気で９００℃にまで段階的に昇温しながら加熱する仮焼結ステップをさらに含んでもよい。

また、前記のような目的を達成するために、本発明の一実施形態による金属粉末含有組成物を原料とする３次元プリンティング装置は、外部から金属粉末含有組成物の供給を受け、供給を受けた金属粉末含有組成物を射出する原料供給部、前記原料供給部から射出された金属粉末含有組成物を移送させる第１移送パイプ部、前記第１移送パイプから供給を受けた金属粉末含有組成物を吐出して、印刷しようとする対象の３次元形状にプリント層を連続的に積層して半製品を成形する３次元プリンティング部、前記３次元プリンティング部により成形された半製品からバインダーを除去する脱脂部、および前記３次元プリンティング部により成形された半製品を焼結する焼結部を含むことを特徴とする。

この時、前記原料供給部は、外部から金属粉末含有組成物の供給を受けるホッパー部、前記ホッパー部と連結された移送通路を備えるバレル部、前記バレル部の内部に位置し、バレル部の内部の金属粉末含有組成物を射出させる射出手段、前記バレル部の内部の金属粉末含有組成物を加熱する加熱部、および前記バレル部と前記第１移送パイプを連結するダイ部を含んでもよい。

この時、前記第１移送パイプ部は、前記第１移送パイプ部の内部で移動する物質を加熱する加熱コイル部を備えてもよい。

この時、前記３次元プリンティング部は、第１軸ガイド、第２軸ガイド、および第３軸ガイド、前記第１軸ガイド、第２軸ガイド、および第３軸ガイドにおいて軸に沿って移動できる複数のキャリッジ、前記キャリッジと連結される複数の支持軸、前記複数の支持軸に連結される移動部、前記移動部に固定され、供給された金属粉末含有組成物を押出させる押出ヘッド、および前記押出された金属粉末含有組成物を吐出するノズルを含んでもよい。

この時、前記３次元プリンティング部は、第１軸ガイド、第２軸ガイド、および第３軸ガイド、前記第１軸ガイド、第２軸ガイド、および第３軸ガイドの各々に固定され、前記第１軸ガイド、第２軸ガイド、および第３軸ガイドに平行する複数のベルト、前記複数のベルトに沿って移動できる複数のキャリッジ部、前記キャリッジと連結される複数の支持軸、前記複数の支持軸に連結される移動部、前記移動部に固定され、供給された金属粉末含有組成物を押出させる押出ヘッド、および前記押出された金属粉末含有組成物を吐出するノズルを含んでもよい。

この時、前記支持軸は前記キャリッジに対してヒンジ運動をしてもよく、前記支持軸は前記移動部に対してヒンジ運動をしてもよい。

この時、前記脱脂部は、前記半製品からバインダーを抽出する溶媒脱脂部を含んでもよい。

この時、前記熱脱脂部は、チャンバー部、前記チャンバー部内の圧力を減少させる真空装置、前記チャンバー部の内部に雰囲気ガスを装入する雰囲気ガス装入装置、および前記チャンバー部の温度を調節する温度調節部を含んでもよい。

この時、前記焼結部は、焼結チャンバー部、前記焼結チャンバー部内の圧力を減少させる焼結真空装置、前記焼結チャンバー部の内部に雰囲気ガスを装入する焼結雰囲気ガス装入器、および前記焼結チャンバー部の温度を調節する焼結温度調節部を含んでもよい。

この時、前記原料供給部は、前記金属粉末含有組成物を金属粉末とバインダーを混練したペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）の形態で原料供給部に供給し、前記バインダーは、結合剤、可塑剤、潤滑剤および界面活性剤を含んでもよい。

また、前記のような目的を達成するために、本発明の他の実施形態による金属粉末含有組成物を原料とする３次元プリンティング装置は、ベースプレート、前記ベースプレートの上部に移動可能に設けられる移動部、前記移動部の一側に設けられ、前記ベースプレート上に金属粉末とバインダーを含む金属粉末含有組成物を吐出して、印刷しようとする対象の３次元形状にプリント層を連続的に積層して半製品を成形する押出ヘッド、前記押出ヘッドに前記金属粉末含有組成物を供給する原料供給部、前記半製品から前記バインダーを除去する脱脂部、および前記バインダーが除去された半製品を焼結して、印刷しようとする対象の３次元形状を有する完製品を抽出する焼結部を含むことを特徴とする。

この時、前記原料供給部は、前記金属粉末含有組成物をフィラメント（Ｆｉｌａｍｅｎｔ）の形態で前記押出ヘッドに供給してもよい。

この時、前記原料供給部は、外部から投入された前記金属粉末含有組成物を加熱して溶融させる加熱部、前記加熱部によって溶融した金属粉末含有組成物を加圧して射出させるピストン部、前記ピストン部に圧力を伝達する加圧部、および前記加熱部から吐出される金属粉末含有組成物を前記押出ヘッドにフィラメントの形態で連続的に供給するガイド部を含んでもよい。

この時、前記加圧部は、空気圧を前記ピストン部に伝達してもよい。

この時、前記原料供給部は、前記金属粉末含有組成物を前記金属粉末とバインダーを混練したペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）の形態で前記押出ヘッドに供給してもよい。

この時、前記バインダーは、結合剤、可塑剤、潤滑剤および界面活性剤を含んでもよい。

この時、原料は、前記金属粉末と高分子バインダーを混練し、一定粒度を有するペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）に造粒化して製造された金属粉末含有組成物であってもよい。

本発明によれば、金属粉末が含まれた原料を用いて３次元プリンティングを行うことにより、機械的物性に優れ、高精密度を要する金属製品を成形できるという効果がある。

また、本発明によれば、３次元プリンティングにより成形された金属製品の機械的物性を保障できるようにする金属粉末が含まれた原料と、それを用いた３次元プリンティング方法および３次元プリンティング装置を提供できるという効果がある。

本発明に係る金属粉末含有組成物を用いて３次元プリンティングを行う概念を説明するための図である。

本発明に係る金属粉末含有組成物を原料とする３次元プリンティング方法を説明するためのフローチャートである。

図２に示された本発明に係る金属粉末含有組成物を原料とする３次元プリンティング方法における脱脂、仮焼結および焼結ステップをより具体的に説明するためのフローチャートである。

本発明に係る金属粉末含有組成物を原料とする３次元プリンティング方法の脱脂、焼結および冷却区間での時間に対する温度の変化を示すグラフである。

本発明に係る３次元プリンティング装置の構成を説明するための概念図である。

本発明に係る３次元プリンティング装置の原料供給部の側断面図である。

本発明に係る３次元プリンティング装置の３次元プリンティング部の実施形態を説明するための図である。

本発明に係る３次元プリンティング装置の３次元プリンティング部の移動部を駆動する構成の第１実施形態を説明するための図である。

本発明に係る３次元プリンティング装置の３次元プリンティング部の移動部を駆動する構成の第２実施形態を説明するための図である。

本発明に係る３次元プリンティング装置の３次元プリンティング部の移動部を駆動する構成の第３実施形態を説明するための図である。

本発明に係る３次元プリンティング装置の押出ヘッドと移動部の細部構成を説明するための図である。

本発明に係る３次元プリンティング装置の脱脂部と焼結部を説明するための図である。

金属粉末含有量に応じた３次元プリンティング製品の焼結前／後における収縮程度を比較したグラフである。

本発明の好ましい実施形態を添付図面によって詳細に説明すれば以下のとおりである。本発明の詳細な説明に先立ち、以下にて説明される本明細書および請求範囲に用いられた用語や単語は通常的または辞典的な意味に限定して解釈してはならない。したがって、本明細書に記載された実施形態と図面に示された構成は本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないため、本出願時点にこれらを代替できる様々な均等物と変形例がありうることを理解しなければならない。

図１は、本発明に係る金属粉末含有組成物３０と３次元プリンティング装置１０を用いて３次元プリンティングを行う概念を説明するための図である。図１を参照すれば、本発明に係る金属粉末含有組成物３０は、金属粉末２０ａと高分子バインダー２０ｂを混練機（Ｋｎｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ）５００を介して高温で均質に混練し、粉砕機またはペレタイザーを用いて粉砕および一定粒度を有するペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）に造粒化して製造する。このように製造された金属粉末含有組成物３０は、３次元プリンティング装置１０において３次元印刷方式で積層されて鋼製品を製造するために用いられる供給原料であって、３次元プリンティング部２００の押出ヘッド２１０に供給される。ここで、金属粉末含有組成物３０は、３次元プリンティング部２００の押出ヘッド２１０に円滑に供給されるように、原料供給部１００によって溶融および加圧射出されて前記押出ヘッド２１０に供給されることが好ましい。押出ヘッド２１０に供給された金属粉末含有組成物３０は、ホットメルト接着剤ガン（ｇｕｎ）と類似の方式でベースプレート２５０の表面に吐出されて、印刷しようとする対象の３次元形状にプリント層が連続的に積層されることによって半製品４０を形成するようになる。このように成形された半製品４０は、脱脂部３００により溶媒および熱間脱脂方式で高分子バインダー成分が除去され、焼結部４００により高温で焼結された後に常温にまで冷却されて、高密度の金属焼結体である最終鋼製品５０として抽出される過程が行われる。

３次元プリンティング方式で高強度の鋼製品を成形するために、本発明においては、上述したように、３次元プリンティングの原料として、金属粉末を高分子バインダーで凝集させた組成物を提示する。特に、このような組成物を製造するために、本発明においては、金属粉末としてＳＵＳ−３０４ＬまたはＳＵＳ−３１６Ｌの鋼組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼が粉体化された金属粉末を用いる。

オーステナイト系ステンレス鋼は、別名としてＣｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼と呼ばれており、ＦｅにＣｒとＮｉを添加したものである。オーステナイト系ステンレス鋼の主成分はＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉからなり、その他には次の表１に示す各種の添加物がある。

次の表１は本発明における３次元プリンティング用の金属粉末含有組成物を製造するために用いられる金属粉末の成分であるオーステナイト系ステンレス鋼の好ましい例を示したものであって、本発明の実施形態がこれらの例にのみ限定されるものではない。

炭素（Ｃ）：０．０３重量％以下

炭素（Ｃ）は、耐食性を改善するために添加されるクロム（Ｃｒ）と反応して、粒界にクロム（Ｃｒ）炭化物として析出する（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｒｂｉｄｅｉｎｔｈｅｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙ）ため、耐食性の低下を招く場合がある。したがって、炭素（Ｃ）の含有量は少ないほど好ましく、炭素（Ｃ）が０．０３重量％以下であれば、耐食性を顕著に低下させることはない。したがって、炭素（Ｃ）の含有量は０．０３重量％以下であることが好ましい。

珪素（Ｓｉ）：１．０重量％以下

珪素（Ｓｉ）は脱酸のために有効な元素であり、溶製ステップで添加される。しかし、過剰に含有させれば、脱脂および焼結後に抽出された鋼製品が硬質化（ｃａｕｓｅｓｈａｒｄｅｎｉｎｇｏｆｔｈｅｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔ）して、延性が低下する（ｄｅｃｒｅａｓｅｄｕｃｔｉｌｉｔｙ）場合があるため、珪素（Ｓｉ）の含有量は１．０重量％以下であることが好ましい。

マンガン（Ｍｎ）：１．５重量％以下

マンガン（Ｍｎ）は、不可避に混入された硫黄（Ｓ）と結合して、ステンレス鋼に固溶した硫黄（Ｓ）を低減する効果を有し、硫黄（Ｓ）の粒界偏析を抑制（ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｓｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｏｆｓｕｌｆｕｒａｔｔｈｅｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙ）して、脱脂および焼結後に抽出された鋼製品の亀裂を防止する（ｐｒｅｖｅｎｔｓｃｒａｃｋｉｎｇｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｄｕｒｉｎｇｈｏｔｒｏｌｌｉｎｇ）のに有効な元素である。しかし、１．５重量％を超過して添加しても添加する効果の増加はほぼない。かえって、過剰に添加することによって費用の上昇を招く。したがって、マンガン（Ｍｎ）の含有量は１．５重量％以下であることが好ましい。

ニッケル（Ｎｉ）：１０〜１４重量％

ニッケル（Ｎｉ）は、オーステナイト相を安定化させる元素であり、オーステナイト系ステンレスを製造する場合に添加する。その時、ニッケル（Ｎｉ）の含有量が１４重量％を超過すれば、ニッケル（Ｎｉ）を過剰に消費することによって費用の上昇を招く。したがって、ニッケル（Ｎｉ）の含有量は１４重量％以下であることが好ましい。

モリブデン（Ｍｏ）：３重量％以下

モリブデン（Ｍｏ）は、ステンレス鋼の隙間腐食などの局部腐食を抑制するのに有効な元素である。したがって、鋼製品が苛酷な環境で用いられる場合には、モリブデン（Ｍｏ）を添加することが有効である。しかし、３重量％を超過して添加すれば、ステンレス鋼が脆化（ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ）して生産性が低下する場合があり、モリブデン（Ｍｏ）を過剰に消費することによって費用の上昇を招く。したがって、モリブデン（Ｍｏ）の含有量は３重量％以下であることが好ましい。

リン（Ｐ）：０．０３重量％以下

リン（Ｐ）は延性の低下を招くので低い方が好ましいが、０．０３重量％以下であれば、延性を顕著に低下させることはない。したがって、リン（Ｐ）の含有量は０．０３重量％以下であることが好ましい。

硫黄（Ｓ）：０．０３重量％以下

硫黄（Ｓ）は、マンガン（Ｍｎ）と結合して硫化マンガン（ＭｎＳ）を形成することによって耐食性を低下させる元素であり、低い方が好ましい。０．０３重量％以下であれば、耐食性を顕著に低下させることはない。したがって、硫黄（Ｓ）の含有量は０．０３重量％以下であることが好ましい。

残部は鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である。

本発明において、表１の組成１または組成２の成分および含量比を有するオーステナイト系ステンレス金属粉末は、粒子直径（Ｄ５０）９．５〜１１μｍの大きさを有する金属粉末を用いることが好ましい。また、最終完製品である鋼製品の密度を高め、粉末の表面積が小さくて高分子バインダーの含量を減らすことができ、脱脂が円滑に行われるだけでなく、焼結時に均一な収縮を維持するようにするために、オーステナイト系ステンレス金属粉末は、球状に粉体化された金属粉末を用いることが好ましい。オーステナイト系ステンレス金属粉末を製造する方式は、液体化された（過熱された）オーステナイト系ステンレス金属ストリームを微細な液滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）に飛散させ、その次に粒子直径（Ｄ５０）９．５〜１１μｍの球状の固体粒子に冷却する噴霧工程によって製造されることができる。

組成１または組成２の成分および含量比で作られ、９．５〜１１μｍの粒子直径（Ｄ５０）に球状粉体化されたオーステナイト系ステンレス金属粉末は、結合剤、可塑剤および潤滑剤を含む高分子バインダーと混練される。この時、金属粉末含有組成物の全体重量に対し、オーステナイト系ステンレス金属粉末が９０．０〜９４．０重量％で含まれ、高分子バインダーが６．０〜１０．０重量％で含まれることができる。オーステナイト系ステンレス金属粉末が金属粉末含有組成物の全体重量に対して９０．０重量％未満であれば、後述する脱脂工程によって多量の高分子バインダーが除去されて、半製品４０の形状が印刷しようとする対象の３次元形状に維持できず、９４．０重量％超過であれば、高分子バインダーが少量で添加され、３次元プリンティングを行うための供給原料としての凝集力を確保し難い。

結合剤は、球状粉体化されたオーステナイト系ステンレス金属粉末間の結合力が低くて３次元プリンティング過程で必要な凝集力を確保するために添加される主鎖（ｂａｃｋｂｏｎｅ）バインダーであり、ポリスチレン（Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、ポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、エチレンビニルアセテート（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−ｖｉｎｙｌａｃｅｔａｔｅ）、エチレンエチルアクリレート（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−ｅｔｈｙｌａｃｒｙｌａｔｅ）、メチルメタクリレート（Ｍｅｔｈｙｌ−ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ブチルメタクリレート（Ｂｕｔｙｌ−ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）からなる群より選択された１種以上の共重合体が含まれることができる。特に、オーステナイト系ステンレス金属粉末に添加される結合剤としてはポリエチレン共重合体が好ましく、ポリエチレン共重合体は高温で除去される一方、熱間脱脂工程を経た鋼製品が形状を維持させる。前記ポリエチレン共重合体は、金属粉末含有組成物の全体重量に対して３〜５重量％が含まれることが好ましい。

可塑剤は、オーステナイト系ステンレス金属粉末と結合剤の結合で凝集した組成物に添加されて３Ｄプリンティング時に成形加工を容易にする有機物質であり、マイクロクリスタリンワックス（Ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｗａｘ）、パラフィンワックス（Ｐａｒａｆｆｉｎｗａｘ）、モンタンワックス（Ｍｏｎｔａｎｗａｘ）などが用いられることができる。特に、本発明においては、可塑剤として比較的に低温でも高分子バインダー間の結合力を下げて延性を高めることができるパラフィンワックス（ＰａｒａｆｆｉｎＷａｘ）を添加する。前記パラフィンワックスは、金属粉末含有組成物の全体重量に対して２．５〜３．５重量％が含まれることが好ましい。

潤滑剤は、金属粉末含有組成物が原料供給器内で溶融した後に加圧射出時に表面滑り性を良くして供給誘導管を経由する３次元プリンタ２００の押出ヘッド２１０への供給が円滑に行われるように添加する成分であり、ステアリン酸（Ｓｔｅａｒｉｃａｃｉｄ）、オレイン酸（Ｏｌｅｉｃａｃｉｄ）、パルミチン酸（Ｐａｌｍｉｔｉｃａｃｉｄ）、リノレン酸（Ｌｉｎｏｌｅｎｉｃａｃｉｄ）などが用いられることができるが、本発明においてはステアリン酸を添加する。前記ステアリン酸は、金属粉末含有組成物の全体重量に対して０．５〜１．５重量％が含まれることが好ましい。

上述した組成１または組成２の成分および含量比を有するオーステナイト系ステンレス金属粉末と、高分子バインダーを高分子バインダーに含まれた結合剤であるポリエチレン共重合体が完全に溶融する温度である１７０℃の高温で１時間均一に混練した後、それを常温にまで冷却する。このように加熱混練後に冷却された混合物は、粉砕機またはペレタイザーにより粉砕され、一定粒度を有するペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）に造粒化されることにより、金属粉末含有組成物が最終的に製造される。

以下では、上述した金属粉末含有組成物を原料にして３次元プリンティング方式で鋼製品を製造する方法について具体的に説明する。

図２は、本発明に係る金属粉末含有組成物を原料とする３次元プリンティング方法を説明するためのフローチャートである。

図２を参照すれば、本発明に係る金属粉末含有組成物を原料とする３次元プリンティング方法は、先ず、金属粉末と高分子バインダーを混練した後、それを粉砕および造粒化して金属粉末含有組成物を準備する（原料準備ステップ、Ｓ１００）。前記Ｓ１００ステップにおいて、金属粉末含有組成物の原料となる金属粉末は、上述した組成１または組成２の成分および含量比を有するＳＵＳ−３０４ＬまたはＳＵＳ−３１６Ｌオーステナイト系ステンレス金属粉末を用いることが好ましい。前記原料準備ステップ（Ｓ１００）においては、金属粉末と高分子バインダーを均質に混練した後、それを常温にまで冷却する。この時、高分子バインダーに含まれた結合剤であるポリエチレン共重合体が溶融して金属粉末と均質に混練されるように、ポリエチレン共重合体が完全に溶融する温度である１７０℃以上の高温で１時間混練工程が行われる。このように加熱混練され後に冷却された混合物を粉砕機またはペレタイザーを用いて粉砕する一方、一定粒度を有するペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）に造粒化することにより、後述する３次元プリンティング工程での供給原料となる金属粉末含有組成物が製造される。

そして、原料準備ステップ（Ｓ１００）で準備された金属粉末含有組成物を３次元プリンタ３００の押出ヘッド３１０に供給する（原料供給ステップ、Ｓ２００）。前記原料供給ステップ（Ｓ２００）において、金属粉末含有組成物３０は、３次元プリンタ３００の押出ヘッド３１０に円滑に供給されるように、原料供給器２００によって溶融および加圧射出されて押出ヘッド３１０に供給されることが好ましい。しかし、場合により、前記原料供給ステップ（Ｓ２００）においては、金属粉末含有組成物を造粒化したペレットを溶融および加圧射出する原料供給器２００を経ず、直接３次元プリンタ３００の押出ヘッド３１０に供給する一方、押出ヘッド３１０そのものから発生する熱によって金属粉末含有組成物ペレットを溶融させるように構成することができる。

その次、３次元プリンタ３００の押出ヘッド３１０のノズルを介して原料供給ステップ（Ｓ２００）で供給された溶融した状態の金属粉末含有組成物をプレート３３０に吐出してベートプレート３３０上にプリント層を積層する（積層ステップ、Ｓ３００）。このような積層ステップ（Ｓ３００）を繰り返し行って、印刷しようとする対象の３次元形状を有するようにプリント層を連続的に積層することによって半製品４０を成形する（成形ステップ、Ｓ４００）。前記積層ステップ（Ｓ３００）および成形ステップ（Ｓ４００）においては、３次元プリンタ３００の押出ヘッド３１０がプレート３３０の上面に対してＸ軸およびＹ軸に動いて溶融した金属粉末含有組成物を吐出して一つのプリント層を積み、再びＺ軸に１層を積み上げた後、上記のようにＸ軸とＹ軸に動いて次のプリント層を積み、再びＺ軸に１層が積み上がって連続的にプリンティングする方式で、印刷しようとする対象の立体的な３次元形状を有する半製品４０を成形することになる。

そして、前記成形ステップ（Ｓ４００）で３次元プリンティングにより成形が完了した半製品４０を脱脂器４００に移送し、脱脂器４００内で熱を加えて半製品４０内に含まれている高分子バインダー成分を除去する（脱脂ステップ、Ｓ５００）。より具体的には、前記脱脂ステップ（Ｓ５００）における脱脂（Ｄｅｂｉｎｄｉｎｇ）工程は、図３に示すように、３次元プリンティングにより成形された半製品４０を溶媒に浸漬させて高分子バインダーに含まれた可塑剤であるパラフィンワックスと潤滑剤であるステアリン酸を溶媒脱脂方式で除去する工程（溶媒脱脂ステップ、Ｓ５１０）と、溶媒脱脂が完了した半製品４０を段階的に加熱して高分子バインダーに含まれた結合剤であるポリエチレン共重合体を熱間脱脂方式で除去する工程（熱間脱脂ステップ、Ｓ５３０）と、が段階的に実行される。先ず、脱ろう（Ｄｅｗａｘｉｎｇ）工程に該当する溶媒脱脂ステップ（Ｓ５１０）において、テトラヒドロフラン（Ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）またはヘプタン（Ｈｅｐｔａｎｅ）溶媒に３次元プリンティングにより成形が完了した半製品４０を浸漬させ、半製品４０に含まれている高分子バインダーのうちパラフィンワックスとステアリン酸をテトラヒドロフラン（Ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）またはヘプタン（Ｈｅｐｔａｎｅ）溶媒に溶解させて一次的に除去する。この時、溶媒の温度は２５〜３５℃であり、２４時間以上溶媒脱脂工程を行う。溶媒の温度が２５℃未満であれば、半製品４０からパラフィンワックスとステアリン酸が急激に除去されることによって半製品４０にクラック（Ｃｒａｃｋ）が発生し易い。溶媒の温度が３５℃超過であれば、一定時間の間に半製品４０からパラフィンワックスとステアリン酸が除去される速度（除去率）が低くなって、後述する熱間脱脂工程中に残留するパラフィンワックスとステアリン酸が急激に除去されることによって半製品４０にクラック（Ｃｒａｃｋ）が発生し易く、目標とする除去率を達成するために溶媒脱脂工程が長時間かかるという問題が発生する。また、２５〜３５℃温度の溶媒に２４時間未満で半製品４０を浸漬させれば、パラフィンワックスとステアリン酸が除去される速度（除去率）が低くなって、熱間脱脂工程中に残留するパラフィンワックスとステアリン酸が急激に除去されることによって半製品４０にクラック（Ｃｒａｃｋ）が発生しうる。

溶媒脱脂ステップ（Ｓ５１０）が完了した後、半製品４０を加熱する熱間脱脂ステップ（Ｓ５３０）を行って、テトラヒドロフラン（Ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）またはヘプタン（Ｈｅｐｔａｎｅ）溶媒に溶解しない高分子バインダーの結合剤成分であるポリエチレン共重合体を除去する。前記熱間脱脂ステップ（Ｓ５３０）においては、溶媒脱脂ステップ（Ｓ５１０）で除去されずに半製品４０に残っている残量のパラフィンワックスとステアリン酸も共に除去される。半製品４０から高分子バインダーを除去するための熱間脱脂ステップ（Ｓ５３０）における加熱過程は昇温速度が重要である。したがって、図４に示された時間に対する温度グラフの脱脂区間に示したように、５００℃にまで段階的に昇温し、パラフィンワックス、ステアリン酸、ポリエチレン共重合体の各々が除去される温度区間に対して昇温速度を低く維持し、温度維持時間を長く設定して、半製品４０からパラフィンワックス、ステアリン酸およびポリエチレン共重合体がより確実に除去されるようにする。熱間脱脂ステップ（Ｓ５３０）を行う総所要時間は４０時間以上が好ましく、半製品４０に含まれたオーステナイト系ステンレス金属が酸化されるのを最大限防止するために窒素（Ｎ_２）雰囲気で熱間脱脂を行うことが好ましい。

後述する焼結ステップ（Ｓ７００）を行うために、脱脂ステップ（Ｓ５００）を経た半製品４０を焼結炉５００に移送するに先立ち、仮焼結するステップ（仮焼結ステップ、Ｓ６００）を行うことができる。仮焼結ステップ（Ｓ６００）においては、真空雰囲気で９００℃にまで段階的に昇温しながら高分子バインダーが除去された半製品４０を加熱して一次的に仮焼結する。本格的な焼結に先立ち、仮焼結ステップ（Ｓ６００）を行う理由は、脱脂ステップ（Ｓ５００）を経た直後の半製品４０の場合、高分子バインダーが全て除去された不安定な状態であるため、焼結炉５００への移送のための取り扱いが難しいためである。仮焼結ステップ（Ｓ６００）で一次に仮焼結された半製品４０は、脱脂ステップ（Ｓ５００）を経た直後の半製品４０に比べて、収縮率が約０．５〜１．０％の微細な体積収縮が発生する。半製品４０の移送なしで脱脂ステップ（Ｓ５００）と焼結ステップ（Ｓ６００）が１ヶ所で行われる場合、半製品４０を一次的に仮焼結する仮焼結ステップ（Ｓ６００）は省略されることができる。

脱脂ステップ（Ｓ５００）で高分子バインダーが除去された半製品４０は、焼結炉５００において焼結（Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）工程を経て、焼結体としての最終的な鋼製品５０として抽出される（焼結ステップ、Ｓ７００）。焼結工程においては、一般焼結、加圧焼結、熱間静水圧焼結のいずれか一つの焼結方式や、これらを組み合わせた焼結方式を利用することができる。具体的には、本発明においては、図３に示すように、一般焼結と熱間静水圧焼結を順次行って半製品４０を焼結する。先ず、脱脂ステップ（Ｓ５００）または仮焼結ステップ（Ｓ６００）を経た半製品４０に対して真空雰囲気で１，０００℃にまで段階的に昇温加熱しながら一般焼結を行う（一般焼結ステップ、Ｓ７１０）。１，０００℃にまで一般焼結が行われた後、１，０００〜１，２００ｂａｒの圧力下にアルゴン（Ａｒ）雰囲気で１，３５０℃にまで段階的に昇温加熱しながら熱間静水圧焼結を行う（熱間静水圧焼結ステップ、Ｓ７３０）。特に、熱間静水圧焼結ステップ（Ｓ７３０）においては、アルゴン（Ａｒ）雰囲気で１，３５０℃にまで昇温した後、１，３５０℃の温度で１〜３時間維持させて焼結過程を行う。熱間静水圧焼結ステップ（Ｓ７３０）は半製品４０の物理的、機械的特性を向上させるために実施する工程であり、半製品４０のオーステナイト系ステンレス鋼に含まれているクロム（Ｃｒ）とニッケル（Ｎｉ）成分の揮発を防止するためにアルゴン（Ａｒ）のような不活性気体によって等方的に加圧および加熱することにより、均質で密度の高い鋼製品５０を得ることができる。

熱間静水圧焼結ステップ（Ｓ７３０）で焼結が完了した半製品４０は、常温にまで冷却されて、最終的な鋼製品５０として抽出される（冷却ステップ、Ｓ７５０）。前記冷却ステップ（Ｓ７５０）においては、先に行われる熱間静水圧焼結ステップ（Ｓ７３０）と同様に、半製品４０のオーステナイト系ステンレス鋼に含まれているクロム（Ｃｒ）とニッケル（Ｎｉ）成分の揮発を防止するためにアルゴン（Ａｒ）雰囲気で冷却を行う。

以下では、上述した金属粉末含有組成物を原料にして３次元プリンティング方式で鋼製品を製造する装置について具体的に説明する。

図５は、本発明に係る３次元プリンティング装置の構成を説明するための概念図である。

図１および５に示された本発明に係る金属粉末含有組成物を用いた３次元プリンティング装置１０の構成図を参照すれば、金属粉末含有組成物を用いた３次元プリンティング装置１０は、金属粉末２０ａと高分子バインダー２０ｂが混練機５００によって均質に混合されて構成される金属粉末含有組成物３０を３次元プリンティング部２００の押出ヘッド２１０に供給する原料供給部１００、前記原料供給部１００から供給された金属粉末含有組成物３０を原料にして、印刷しようとする対象の３次元形状にプリンティングを行う３次元プリンティング部２００、前記３次元プリンティング部２００により製作された半製品４０からバインダー成分を除去する脱脂部３００、および前記脱脂部３００によりバインダー成分が除去された半製品４０を焼結して完製品を抽出する焼結部４００で構成される。

本発明においては、金属粉末２０ａと混練されて金属粉末含有組成物３０を構成する高分子バインダー２０ｂは、結合剤、可塑剤、潤滑剤および界面活性剤を含むことができる。

前記金属粉末２０ａは、ＳＵＳ−３０４ＬまたはＳＵＳ−３１６Ｌの鋼組成を有するオーステナイト系ステンレス金属粉末に該当することができる。本発明においては、前記金属粉末２０ａは、Ｃ：０．０３重量％以下、Ｓｉ：１．０重量％以下、Ｍｎ：１．０重量％以下、Ｃｒ：１８〜２０重量％、Ｎｉ：１０〜１２重量％、Ｍｏ：０．２重量％以下、Ｐ：０．０３重量％以下、Ｓ：０．０３重量％以下、残部Ｆｅおよびその他の不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス金属粉末に該当することができる。本発明においては、前記金属粉末２０ａは、Ｃ：０．０３重量％以下、Ｓｉ：１．０重量％以下、Ｍｎ：１．５重量％以下、Ｃｒ：１６〜１８重量％、Ｎｉ：１１〜１４重量％、Ｍｏ：２〜３重量％、Ｐ：０．０３重量％以下、Ｓ：０．０３重量％以下、残部Ｆｅおよびその他の不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス金属粉末に該当することができる。

本発明においては、金属粉末２０ａを９０．０〜９４．０重量％、結合剤を３．０〜５．０重量％、可塑剤を２．５〜３．５重量％、潤滑剤を０．５〜１．５重量％を混練し粉砕および造粒化して前記金属粉末含有組成物３０を準備することができる。本発明においては、前記結合剤はポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）共重合体であり、前記可塑剤はパラフィンワックス（Ｐａｒａｆｆｉｎｗａｘ）であり、前記潤滑剤はステアリン酸（Ｓｔｅａｒｉｃａｃｉｄ）に該当することができる。

このように、本発明に係る３次元プリンティング装置１０は、外部から高分子バインダー２０ｂを含む金属粉末含有組成物３０の供給を受け、供給を受けた金属粉末含有組成物３０を射出する原料供給部１００、前記原料供給部１００から射出された金属粉末含有組成物３０を移送させる第１移送パイプ部１９０、前記第１移送パイプから供給を受けた金属粉末含有組成物３０を吐出して、印刷しようとする対象の３次元形状にプリント層を連続的に積層して半製品４０を成形する３次元プリンティング部２００、前記３次元プリンティング部２００により成形された半製品４０からバインダーを除去する脱脂部３００、および前記３次元プリンティング部２００により成形された半製品４０を焼結する焼結部４００を含む。

図６は、本発明に係る３次元プリンティング装置の原料供給部１００の側断面図である。本発明の原料供給部１００は、外部から原料として金属粉末含有組成物３０の供給を受けるホッパー部１１０、前記ホッパー部１１０と連結された移送通路を備えるバレル部１４０、前記バレル部１４０の内部に位置し、バレル部１４０の内部の金属粉末含有組成物３０を射出させる射出手段１３０、前記バレル部１４０の内部の金属粉末含有組成物３０を加熱する加熱部１５０、前記バレル部１４０と前記第１移送パイプ部１９０を連結するダイ部１８０、前記バレル部１４０と前記ダイ部１８０を連結するフィードパイプ部１７０、前記射出手段１３０を駆動する駆動部１２０、および前記バレル部１４０などを支持する支持部１４１を含む。

好ましくは、前記射出手段１３０はスクリュー部であり、前記駆動部１２０は前記スクリュー部が回転運動および／または直線運動をするように動力を提供する装置であって、好ましくは、左右移動が可能な駆動モータあるいはローター部が左右移動が可能な駆動モータであることが好ましい。あるいは、前記射出手段１３０はピストンの形態であってもよい。

前記金属粉末含有組成物３０を、金属粉末２０ａと高分子バインダー２０ｂとを混練したペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）の形態で原料供給部１００に供給し、前記バインダー２０ｂは結合剤、可塑剤、潤滑剤および界面活性剤を含むことが好ましい。このような金属粉末２０ａと高分子バインダー２０ｂの混練体であるペレット形態の金属粉末含有組成物３０は、前記ホッパー部１１０を介して前記バレル部１４０に流入し、バレル部１４０の内部で熱を受け、前記射出手段１３０あるいはスクリュー部によって前記フィードパイプ部１７０および前記ダイ部１８０を介して第１移送パイプ部１９０に移送される。

好ましくは、前記ダイ部１８０は、前記フィードパイプ部１７０側から内径が減少する形態の通路を有することが好ましい。

一方、このように原料供給部１００のバレル部１４０から射出された金属粉末含有組成物３０は、前記第１移送パイプ部１９０を介して移送する。前記第１移送パイプ部１９０は、前記第１移送パイプ部１９０の内部で移動する物質を加熱する加熱コイル部１９１を備えることにより、前記射出された金属粉末含有組成物３０が移送中に硬化されず、３次元プリンティング部２００から吐出される時まで最適の状態に維持されることができる。好ましくは、前記加熱コイル部１９１の温度を測定し、測定された温度値に基づいて、金属粉末含有組成物３０に応じて既に設定された温度範囲に前記第１移送パイプ部１９０の内部の金属粉末含有組成物３０の温度を調節するための、温度設定およびフィードバック制御を実現するモジュールがさらに備えられることもできる。

一方、図７は、本発明に係る３次元プリンティング装置の３次元プリンティング部２００の実施形態を説明するための図である。図３に示すように、前記３次元プリンティング部２００は、第１軸ガイド２５１、第２軸ガイド２５２、および第３軸ガイド２５３、前記第１軸ガイド２５１、第２軸ガイド２５２、および第３軸ガイド２５３において軸に沿って移動できる複数のキャリッジ２６０、前記キャリッジ２６０と連結される複数の支持軸２６２、前記複数の支持軸２６２に連結される移動部２３０、前記移動部２３０に固定され、供給された金属粉末含有組成物３０を押出させる押出ヘッド２１０、および前記押出された金属粉末含有組成物３０を吐出するノズル２１０ａを含む。

具体的には、前記装置は、ベースプレート２５０に第１軸ガイド２５１、第２軸ガイド２５２、および第３軸ガイド２５３が垂直に支持され、前記第１軸ガイド２５１、第２軸ガイド２５２、および第３軸ガイド２５３の上側にはこれらのガイドを支持する上部プレート２５４が備えられている。

第１軸ガイド２５１、第２軸ガイド２５２、および第３軸ガイド２５３の各々には前記ガイドに沿って直線運動ができるキャリッジ２６０が備えられており、キャリッジ２６０は連結部２６１を介して各々の支持軸２６２に連結されている。好ましくは、前記連結部２６１には各々のステップモータが内装されており、各々のステップモータはコンピューティング装置の制御部（図示せず）から位置値の転送を受け、各々のキャリッジ２６０を目的とする垂直位置に位置するように、前記キャリッジ２６０を上下直線運動させる。

また、前記支持軸２６２は前記キャリッジ２６０に対してヒンジ運動をし、前記支持軸２６２は前記移動部２３０に対してヒンジ運動をすることができる。このような３軸において移動できる３個のキャリッジ２６０およびこれらによって回転運動、好ましくは、ヒンジ運動ができる支持軸２６２により、支持軸２６２がヒンジ運動が可能に連結された移動部２３０はコンピューティング装置が指定する３次元位置に移動することができる。

このような移動部２３０には押出ヘッド２１０およびノズル２１０ａが結合されており、ノズル２１０ａによって射出されて、半流動状態の金属粉末含有組成物３０が吐出されることができる。

一方、前記第１移送パイプ部１９０は、前記上部プレート２５４に備えられたパイプ連結部２６１を介して第２移送パイプ部２８０に連結される。第２移送パイプ部２８０にも金属粉末含有組成物３０の半流動状態を維持できるようにする熱源装置が備えられることができる。

図８は、本発明に係る３次元プリンティング装置の３次元プリンティング部２００の移動部２３０を駆動する構成の第１実施形態を説明するための図である。

図８は、第１軸ガイド２５１と連結された構成要素を詳細に示す。第２軸ガイド２５２および第３軸ガイド２５３もこのような第１軸ガイド２５１と類似するように構成されることができる。

図８に示すように、第１軸ガイド２５１は２個以上のロッドで構成されることができる。第１軸ガイド２５１に沿ってキャリッジ２６０が往復上下運動をし、このようなキャリッジ２６０の運動は前記連結部２６１の内部に内装された駆動手段によって駆動される。

一方、支持軸２６２は、前記連結部２６１あるいは前記キャリッジ２６０に対してヒンジ運動が可能な形態の２以上のロッドで構成されている。

図９は、本発明に係る３次元プリンティング装置の３次元プリンティング部２００の移動部２３０を駆動する構成の第２実施形態を説明するための図である。

図９は、第１軸ガイド２５１と連結された構成要素を詳細に示す。第２軸ガイド２５２および第３軸ガイド２５３もこのような第１軸ガイド２５１と類似するように構成されることができる。

図９に示すように、第１軸ガイド２５１にはガイド突出部２５１．１が備えられ、キャリッジ２６０は前記ガイド突出部２５１．１に係合できる形態の溝が形成されている。第２実施形態においては、前記キャリッジ２６０の内部にステップモータが備えられ、キャリッジ２６０は前記ガイド突出部２５１．１に沿って往復運動ができる形態である。

このような構成は、第１実施形態よりさらに単純化した形態の３軸制御が可能であるようにすることができる。

図１０は、本発明に係る３次元プリンティング装置の３次元プリンティング部２００の移動部２３０を駆動する構成の第３実施形態を説明するための図である。

図１０は、第１軸ガイド２５１と連結された構成要素を詳細に示す。第２軸ガイド２５２および第３軸ガイド２５３もこのような第１軸ガイド２５１と類似するように構成されることができる。

図１０に示すように、第１軸ガイド２５１の上側にはステップモータ部２９１が備えられ、下側にはベルトプーリー部２９２が備えられ、前記ステップモータ部２９１によってコンベヤー運動のできるベルト２９３が前記ベルトプーリー部２９２に支持されている。このような構成において、ステップモータ部２９１を駆動することにより、前記ベルト２９３に固定されているキャリッジ部２９４が上下往復運動をし、それにより、キャリッジ部２９４にヒンジ運動が可能な支持軸２６２が移動する。

図１１は、本発明に係る３次元プリンティング装置の押出ヘッド２１０と移動部２３０の細部構成を説明するための図である。下記に説明する細部構成は、ノズルと関連した構成を除いては、押出ヘッド２１０の内部に配置されることができる。

上記で説明したように、３次元プリンティング部２００は、前記第１移送パイプ部１９０から供給を受けた金属粉末含有組成物３０を吐出して、印刷しようとする対象の３次元形状にプリント層を連続的に積層して半製品４０を成形する。

好ましくは、前記吐出の形態は押出（Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）の形態が良く、以下では、このような押出形態を実現するための前記移動部２３０と押出ヘッド２１０およびノズル２１０ａの内部構成について説明する。

本発明における、前記３次元プリンティング部２００は、押出機ステップモータ２５２、前記押出機ステップモータ２５２の回転軸に連結された第１ギア部２３３、前記第１ギア部２３３に係合し、前記第１ギア部２３３より大きい直径を有し、回転中心に押出ローラ２３５が備えられた、第２ギア部２３４、前記第２ギア部２３４の回転時、前記第２ギア部２３４の反対側から金属粉末含有組成物３０を支持しつつ回転する押出ベアリング２３６、および前記押出ローラ２３５と前記押出ベアリング２３６によって押出される金属粉末含有組成物３０をノズル２１０ａ側に移送させる押出フィード部２３７を含む。

前記移動部２３０と押出ヘッド２１０の内部に配置され、金属粉末含有組成物３０が移動する移動流路２３１は、前記移動部２３０および押出ヘッド２１０の内部に形成され、外部の第２移送パイプ部２８０に連結されている。

このような構成において、押出機ステップモータ２５２が回転すれば、結果的に押出ローラ２３５が回転し、押出ローラ２３５の回転によって移動流路２３１内部の金属粉末含有組成物３０が押出され、押出フィード部２３７およびノズル２１０ａを介して外部に押出される。

前記３次元プリンティング部２００は、前記ノズル２１０ａの温度を測定するノズル温度測定部２１０ｃ、および前記ノズル温度測定部２１０ｃにより測定された温度値に基づいてノズル２１０ａを加熱するノズルヒータ２１０ｂをさらに含む。このような端部側の金属粉末含有組成物３０の温度の調節により、最適の温度範囲で金属粉末含有組成物３０を外部に吐出することができ、これは、金属粉末２０ａと高分子バインダー２０ｂを含む本発明において、優れた製品の耐久性を確保することができる。

一方、図１２は、本発明に係る３次元プリンティング装置１０の脱脂部３００と焼結部４００を説明するための図である。図１２に示すように、前記脱脂部３００は、前記半製品４０からバインダー２０ｂを抽出する溶媒脱脂部３００を含む。

溶媒脱脂部３００は、３次元プリンティング部２００により形成された半製品４０に混合されているバインダー物質、例えば、パラフィンワックスとＳＡバインダーを抽出する装置である。

一方、前記脱脂部３００は、真空または不活性ガス雰囲気で脱脂を行う熱脱脂部３００をさらに含み、前記熱脱脂部３００は、チャンバー部３５０、前記チャンバー部３５０内の圧力を減少させる真空装置３２１、前記チャンバー部の内部に雰囲気ガスを装入する雰囲気ガス装入装置３２２、および前記チャンバー部の温度を調節する温度調節部３４０を含む。

真空装置３２１は、前記チャンバー部３５０内部の還元雰囲気の造成のために、初期の大気雰囲気から高真空１０^−４ｔｏｒｒまで維持できるようにする装置であり、このような真空装置３２１は、拡散ポンプおよび／またはロータリー真空ポンプを含む。

一方、雰囲気ガス装入装置３２２は、前記チャンバー部３５０内部の雰囲気を作るキャリアガスを装入する装置である。

一方、好ましくは、前記熱脱脂部３００は、脱脂区間でデバインディングになった有機バインダーが真空ポンプまたはその他の付属装置に入って故障を起こすのを防ぐために、気体状態の有機バインダーを捕集する冷却トラップであるワックストラップ器３３０をさらに含むことができる。

また、前記熱脱脂部３００は、チャンバー部３５０の温度を調節して、チャンバー部３５０が加熱状態あるいは冷却状態になるための温度調節部３４０を含む。

一方、前記焼結部４００は、焼結チャンバー部４４０、前記焼結チャンバー部４４０内の圧力を減少させる焼結真空装置４１０、前記焼結チャンバー部４４０の内部に雰囲気ガスを装入する焼結雰囲気ガス装入器４２０、および前記焼結チャンバー部４４０の温度を調節する焼結温度調節部４３０を含む。

それと同様に、前記焼結真空装置４１０は、前記焼結チャンバー部４４０内部の還元雰囲気の造成のために、初期の大気雰囲気から高真空１０^−４ｔｏｒｒまで維持できるようにする装置であり、このような真空装置は、拡散ポンプおよび／またはロータリー真空ポンプを含む。

一方、焼結雰囲気ガス装入器４２０は、前記焼結チャンバー部４４０内部の雰囲気を作るキャリアガスを装入する装置である。

また、前記焼結部４００は、焼結チャンバー部４４０の温度を調節して、チャンバー部が加熱状態あるいは冷却状態になるための焼結温度調節部４３０を含む。

本発明においては、前記熱脱脂部３００と焼結部４００が一体型に形成された装置が用いられてもよい。この場合、例えば、熱脱脂部３００によって脱脂を行った後、他の作業セッティング値によって焼結を行うこともできる。

本発明の他の実施形態による３次元プリンティング装置について説明する。本発明の３次元プリンティング装置１０を構成する原料供給部１００は、金属粉末２０ａとバインダー２０ｂが均質に混合された金属粉末含有組成物３０を３次元プリンティング部２００に供給する。本発明においては、金属粉末含有組成物３０が溶融した状態で３次元プリンティング部２００の押出ヘッド２１０に円滑に供給されるように、原料供給部１００に連結された第１移送パイプ部１９０の外面には加熱コイル部１９１が巻き取られる。一方、３次元プリンティング装置を構成する３次元プリンティング部２００は、原料供給部１００から金属粉末含有組成物３０の供給を受けて吐出する押出ヘッド２１０、一側に押出ヘッド２１０が設けられ、外部の制御システム（図示せず）により制御されてベースプレート２５０の上部でＸ／Ｙ／Ｚ軸方向に移動する移動部２３０、および押出ヘッド２１０から吐出される金属粉末含有組成物３０が積層されるベースプレート２５０で構成される。本発明においては、押出ヘッド２１０は、ノズル２１０ａを介して金属粉末含有組成物３０をベースプレート２５０の表面に吐出して、印刷しようとする対象の３次元形状にプリント層を連続的に積層することによって半製品４０を成形する。

一方、３次元プリンティング装置の原料供給部１００は、外部から投入される金属粉末含有組成物３０を貯蔵する一方、それを加熱して溶融させる加熱部１５０、および加熱部１５０によって溶融した金属粉末含有組成物３０を加圧して射出させる射出手段で構成されることができる。本発明においては、射出手段はエアコンプレッサ（Ａｉｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）からなり、外部の制御によって空気圧を用いてバレル部１４０の金属粉末含有組成物３０を射出することもできる。

好ましくは、図６に示すように、外周面にねじ山が形成されているスクリュー方式の射出手段が駆動部１２０から伝達される回転力で回転運動することにより、原料供給部１００に加熱されて貯蔵された金属粉末含有組成物３０が押出ヘッド２１０に射出される方式を有する押出機の形態で構成されることができる。

また、場合により、３次元プリンティング装置１０の原料供給部１００は、金属粉末２０ａとバインダー２０ｂが混練されたペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）の形態で投入される金属粉末含有組成物３０を射出手段の回転によって押出ヘッド２１０側に投入するという形で構成されることができる。

３次元プリンティング部２００は、原料供給部１００から供給された金属粉末含有組成物３０を原料にして、印刷しようとする対象の３次元形状にプリンティングを行う。より具体的には、３次元プリンティング部２００の動作を見てみると、原料供給部１００から供給された金属粉末含有組成物３０が押出ヘッド２１０に供給されれば、移動部２３０が外部の制御システム（図示せず）により制御されてベースプレート２５０の上部でＸ／Ｙ／Ｚ軸方向に移動し、移動部２３０の一側に設けられた押出ヘッド２１０がノズル２１０ａを介して金属粉末含有組成物３０をベースプレート２５０表面に吐出してベースプレート２５０上にプリント層を連続的に積層することによって半製品４０を成形する。

脱脂部３００は、３次元プリンティング部２００により製作された半製品４０からバインダー２０ｂを除去する。本発明においては、脱脂部３００は、溶媒脱脂、熱間脱脂または触媒脱脂のいずれか一つの脱脂方式や、これらを組み合わせた脱脂方式で半製品４０からバインダー成分を除去することができる。

焼結部４００は、脱脂部３００によりバインダー成分が除去された半製品４０を焼結して最終製品である完製品５０を抽出する。本発明においては、焼結部４００は、一般焼結、加圧焼結、熱間静水圧焼結のいずれか一つの焼結方式や、これらを組み合わせた焼結方式でバインダー成分が除去された半製品４０を焼結して完製品５０を抽出することができる。

組成１（ＳＵＳ−３０４Ｌ）または組成２（ＳＵＳ−３１６Ｌ）に応じたオーステナイト系ステンレス金属粉末を金属粉末含有組成物の全体重量に対して９０．０〜９４．０重量％で含有させた場合において、本発明により３次元プリンティング工程直後に成形された半製品４０に対する焼結／冷却工程が完了した後に抽出された鋼製品５０の収縮率は図１３に示されたとおりである。図１３を参照すれば、組成１（ＳＵＳ−３０４Ｌ）または組成２（ＳＵＳ−３１６Ｌ）に応じたオーステナイト系ステンレス金属粉末が金属粉末含有組成物の全体重量に対して９０．０重量％で含まれた場合には約２０〜２０．５％の収縮率を示し、９４．０重量％で含まれた場合には約１５．５〜１６重量％の収縮率を示す。組成１（ＳＵＳ−３０４Ｌ）または組成２（ＳＵＳ−３１６Ｌ）に応じたオーステナイト系ステンレス金属粉末の含有量が金属粉末含有組成物の全体重量に対して９０．０〜９４．０重量％で含まれた区間において、収縮率は金属粉末含有量が高くなるほど線形的に減少することを確認することができる。

以上、図面と明細書に最適の実施形態が開示された。本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲内で該発明が属する技術分野で通常の知識を有した者によって様々な変更と修正が可能であり、本発明の真の技術的保護範囲は添付された請求範囲の技術的思想によって定められなければならない。

Claims

金属粉末とバインダーとを混練したペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）の形態の金属粉末含有組成物を造粒する造粒手段と、
前記造粒手段から金属粉末含有組成物の供給を受け、供給を受けた金属粉末含有組成物を射出する原料供給部、
前記原料供給部から射出された金属粉末含有組成物を移送させる第１移送パイプ部、
前記第１移送パイプ部から供給を受けた金属粉末含有組成物を吐出して、印刷しようとする対象の３次元形状にプリント層を連続的に積層して半製品を成形する３次元プリンティング部、
前記３次元プリンティング部により成形された半製品からバインダーを除去する脱脂部、および
前記３次元プリンティング部により成形された半製品を焼結する焼結部を含み、
前記３次元プリンティング部は、
第１軸ガイド、第２軸ガイド、および第３軸ガイド、
前記第１軸ガイド、第２軸ガイド、および第３軸ガイドの各々に固定され、前記第１軸ガイド、第２軸ガイド、および第３軸ガイドに平行する複数のベルト、
前記複数のベルトに沿って移動できる複数のキャリッジ、
前記キャリッジと連結される複数の支持軸、
前記複数の支持軸に連結される移動部、
前記移動部に固定され、供給された金属粉末含有組成物を押出させる押出ヘッド、および
前記押出された金属粉末含有組成物を吐出するノズルを含み、
前記支持軸は前記キャリッジに対してヒンジ運動をし、
前記支持軸は前記移動部に対してヒンジ運動をし、
前記原料供給部は、金属粉末とバインダーとを混練したペレットの形態の金属粉末含有組成物を前記押出ヘッドに供給し、
前記バインダーは、結合剤、可塑剤、潤滑剤および界面活性剤を含むことを特徴とする、３次元プリンティング装置。
金属粉末とバインダーとを混練したペレット（Ｐｅｌｌｅｔ）の形態の金属粉末含有組成物を造粒する造粒手段と、
前記造粒手段から金属粉末含有組成物の供給を受け、供給を受けた金属粉末含有組成物を射出する原料供給部、
前記原料供給部から射出された金属粉末含有組成物を移送させる第１移送パイプ部、
前記第１移送パイプ部から供給を受けた金属粉末含有組成物を吐出して、印刷しようとする対象の３次元形状にプリント層を連続的に積層して半製品を成形する３次元プリンティング部、
前記３次元プリンティング部により成形された半製品からバインダーを除去する脱脂部、および
前記３次元プリンティング部により成形された半製品を焼結する焼結部を含み、
前記３次元プリンティング部は、
第１軸ガイド、第２軸ガイド、および第３軸ガイド、
前記第１軸ガイド、第２軸ガイド、および第３軸ガイドにおいて軸に沿って移動できる複数のキャリッジ、
前記キャリッジと連結される複数の支持軸、
前記複数の支持軸に連結される移動部、
前記移動部に固定され、供給された金属粉末含有組成物を押出させる押出ヘッド、および
前記押出された金属粉末含有組成物を吐出するノズルを含み、
前記支持軸は前記キャリッジに対してヒンジ運動をし、
前記支持軸は前記移動部に対してヒンジ運動をし、
前記原料供給部は、金属粉末とバインダーとを混練したペレットの形態の金属粉末含有組成物を前記押出ヘッドに供給し、
前記バインダーは、結合剤、可塑剤、潤滑剤および界面活性剤を含むことを特徴とする、３次元プリンティング装置。
前記原料供給部は、
外部から金属粉末含有組成物の供給を受けるホッパー部、
前記ホッパー部と連結された移送通路を備えるバレル部、
前記バレル部の内部に位置し、前記バレル部の内部の金属粉末含有組成物を射出させる射出手段、
前記バレル部の内部の金属粉末含有組成物を加熱する加熱部、および
前記バレル部と前記第１移送パイプ部を連結するダイ部を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の３次元プリンティング装置。
前記第１移送パイプ部は、前記第１移送パイプ部の内部で移動する金属粉末含有組成物を加熱する加熱コイル部を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の３次元プリンティング装置。
前記脱脂部は、
前記半製品から前記バインダーを抽出する溶媒脱脂部を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の３次元プリンティング装置。
前記脱脂部は、真空または不活性ガス雰囲気で脱脂を行う熱脱脂部をさらに含み、
前記熱脱脂部は、チャンバー部、前記チャンバー部内の圧力を減少させる真空装置、前記チャンバー部の内部に雰囲気ガスを装入する雰囲気ガス装入装置、および前記チャンバー部の温度を調節する温度調節部を含むことを特徴とする、請求項５に記載の３次元プリンティング装置。
前記焼結部は、焼結チャンバー部、前記焼結チャンバー部内の圧力を減少させる焼結真空装置、前記焼結チャンバー部の内部に雰囲気ガスを装入する焼結雰囲気ガス装入装置、および前記焼結チャンバー部の温度を調節する焼結温度調節部を含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の３次元プリンティング装置。
前記３次元プリンティング部は、
押出機ステップモータ、
前記押出機ステップモータの回転軸に連結された第１ギア部、
前記第１ギア部に係合し、前記第１ギア部より大きい直径を有し、回転中心に押出ローラが備えられた、第２ギア部、
前記第２ギア部の回転時、前記第２ギア部の反対側から金属粉末含有組成物を支持しつつ回転する押出ベアリング、および
前記押出ローラと前記押出ベアリングによって押出される金属粉末含有組成物をノズル側に移送させる押出フィード部を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の３次元プリンティング装置。
前記３次元プリンティング部は、
前記ノズルの温度を測定するノズル温度測定部、および
前記ノズル温度測定部により測定された温度値に基づいて前記ノズルを加熱するノズルヒータをさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の３次元プリンティング装置。