KR100198172B1 - 금형 시제품의 급속 조형을 위한 전기 가열식 금속 박판 용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박판들의 적층체에 새 박판을 공급하는 단계와, 상기 박판을 박판들의 적층체와 결합시키는 단계와, 결합된 박판을 원하는 단면으로 절단하는 단계를 포함하고, 상기 결합 단계는 변압기로부터 소정의 전압으로 공급되는 전류를 결합되는 박판과 접촉하는 전기 전도 롤로 공급하며, 박판과, 박판들의 적층체가 위치한 플랫폼을 거쳐 다시 변압기로 복귀시켜 박판과 박판들의 적층체를 용접하는 단면 적층식 급속 조형 방법에 관한 것이다.

Description

금형 시제품의 급속 조형을 위한 전기 가열식 금속 박판 용접 방법

본 발명은 3차원 형상을 지닌 금속 시제품, 특히 프레스나 사출성형용 시작금형을 직접 제작하기 위한 단면 접합 방법에 관한 것이다.

시장에서의 경쟁 우위를 갖기 위해 신속한 신제품 개발이 요청되고 있다. 이에 대응하여 새로운 시제품 제작 기술들이 널리 쓰이고 있다. 그중 급속 3차원 조형법(Rapid Prototyping, RP)은 최근 몇 년간 자동차, 가전, 전자, 항공, 중공업 등 거의 모든 제조 관련 분야에 걸쳐서 제품의 설계에서 생산에 이르는 기간과 노력을 절감하기 위한 동시공학의 필수 도구로써 사용되어 왔다. 공학적인 평가 시험의 결과가 성공적이기 위해서는 제작된 모델의 형상이 실제 부품과 동일해야 하며, 실제 생산 부품과 같은 성능을 가지고 있어야 한다. 그러나 현재까지 상용화된 RP 장비로 제작된 모델들은 대부분 실제 부품의 물리적인 물성치에 미치지 못하고 있다. 특히, 금속 시제품 같은 경우 1차 공정인 급속 조형법을 통해 마스터 패턴을 제작한 후 원하는 금속 소재로 만든 시제품을 얻기 위해 2차 공정인 주조를 사용해야 하는 실정이다.

일반 절삭가공과 달리 급속조형기술은 3차원 형상을 깍아서 제작하지 않고 원하는 단면을 적층한다. 이때 단면과 단면의 결합은 완성된 시제품의 정확도나 물리적 특성에 큰 영향을 미친다. 광조형(Stereolithography, SLA) 공정의 경우, 광경화성 수지의 화학적 반응을 통해 단면 사이의 결합이 이루어지며, 분말 가루를 녹이며 적층하는 선택적 레이저 소결법(Selective Laser Sintering, SLS)은 분말의 응용을 통해 단면들을 연결한다.

금속 프레스 공구의 시제품을 제작하기 위하여 사용되는 RP기법으로는 적층결합법(Lamination Joining)를 들 수 있다. 이 방법에서는 원하는 단면을 레이저 광선으로 절단한 뒤 단면들을 서로 겹친 후, 주로 볼트 또는 레이저 스폿트 용접을 통해 박판들을 부분적으로 서로 접합하여 시제품을 제작한다. 이같은 방식의 한 예가 LANE'(Laser Assisted Net Shape Engineering) 94 제1권에 실린 Takeo Nakagawa의 Applications of Laser Beam Cutting to Manufacturing of Forming Tools - Laser Cut Sheet Laminaged Tool에 개시되어 있다.

상기 적층 결합 방식에서, 각 단면을 구성하는 박판들이 볼트나 스폿트 용접을 통해 부분적으로 접합되므로, 접합된 면의 수직 방향으로는 응력을 받을 수 있지만 용접된 면과 평행한 방향으로 응력이 발생할 경우에는 사용할 수 없으며, 현재까지 이에 대한 적절한 결합 방법이 개발되어 있지 않다.

본 발명의 목적은 원하는 단면을 갖는 박판들을 적층함으로써 금형, 더 자세하게는 시작 금형을 제작하는 금속 조형 방법으로서 단면의 접합부와 수직 방향 및 접합부와 평행한 방향 모두에서 응력을 받을 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

제1도는 본 발명의 박판 적층식 급속 조형 장치의 개략도.

제2도는 본 발명의 박판 적층식 급속 조형 방법의 각 단계를 도시한 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 박판 적층 급속 조형 장치 2 : 박판

3 : 롤 4 : 변압기

5 : 플랫폼 6 : 레이저 발생 장치

7 : 레이저 광선 초점 광학 장치

이러한 목적은 본 발명의 청구범위 제1항에 기재된 급속 조형 방법 및 제3항에 기재된 급속 조형 장치에 의해 달성된다.

본 발명에서는 2개의 박판을 접합하기 위해 저항식 용접(resistance welding)에 유사하게, 전기 가열식 방법으로 금속 박판을 가열한다. 즉, 박판 사이에서 저항열로 발생하는 열을 이용하여 박판을 완전히 결합시킬 수 있는 방법을 통해 원하는 금형 시제품을 신속히 제작한다. 이때 사용되는 박판의 소재는 통상 스테인레스강이나, 전류의 양이 한정되는 경우 두 개의 소재로 구성된 바이메탈을 사용할 수 있다. 이중 하나의 소재는 낮은 용융점을 가지고 있어 용접할 때 먼저 녹음으로써 단면들을 접합시킬 수 있다. 소재 두께는 완성된 금형의 표면 거칠기를 고려하여 0.1내지 0.2mm정도이다.

제1도는 본 발명에 의한, 박판 적층식 급속 조형 장치(1)를 도시한다. 장치(1)은 적층된 박판들이 위치하는 플랫폼(5)과, 새로 공급되는 박판(2)위에 위치한 롤(3)과, 롤(3)에 전류를 공급하는 변압기(4)와, 원하는 단면을 갖도록 새로 공급하는 박판을 절단하기 위한 레이저 발생 장치(6) 및 레어지 광선 초점 광학 장치(focusing optics)(7)를 갖는다.

롤(3)은 박판(2) 위를 이동하며 박판을 펼치고, 이를 일정한 압력으로 누를 수 있도록 구성되어 있다. 변압기(4)는 그로부터 소정의 전압으로 전류를 롤(3)로 공급한다. 전류는 적층된 박판들이 위치한 플랫폼(5)을 통해 다시 변압기(4)로 복귀한다. 전류가 박판(2)를 통과하면 새로 적층한 박판과 바로 아래에 있는 박판 사이의 접촉 저항으로 인하여 열이 발생하며 이들 박판은 서로 용접이 된다. 사용되는 박판의 소재에 따라 전류의 양을 조절하여 용접에 적합한 온도를 얻을 수 있다. 바이메탈의 경우 용융 온도가 높지 않은 소재를 박판의 아래 부분으로서 사용하기 때문에 전류의 양을 낮출 수 있는 이점이 있다. 레이저 발생 장치(6)와 레이저 광선 초점 광학 장치(7)는 롤(3)이 새 박판(2)위를 통과하여 용접이 완료된 후 레이저 광선을 이용하여 용접된 박판(2)을 원하는 단면으로 절단한다. 이때 레어지 광선 초점 광학장치는 X-Y 플로터 방식으로 구동되며, 구동에 필요한 NC 데이타는 3차원 CAD 모델로부터 생성할 수 있다. 레어저 절단시 발생하는 버르(Burr)는 급속 조형장치(1)에 추가될 수 있는 밀링 공구를 통해 깨끗이 처리할 수 있으며 또는 공정 변수 개선을 통해 버르의 발생을 미리 방지할 수도 있다.

본 발명의 박판 적층 급속 조형 장치(1)는 적층식 물체 성형(Laminated Object MAnufacturing, LOM) 장비와 유사한 구조를 가지고 있다. 그러나 LOM 장비에서는 예열된 롤이 하부면에 접착제가 도포된 종이층 위를 지나가면서 접착제를 녹여 아래에 위치한 종이층과 접착시키는 방식을 사용하지만, 본 발명의 장치에서는 변압기(4)로부터 소정의 전압으로 공급되는 DC 전류(i)를 박판(2) 위로 구동되는 롤(3)과 롤 바로 밑에 있는 박판(2)를 통해 플랫폼(5)으로 전달하며 박판과 박판 사이에서 발생되는 저항열을 이용하여 롤 밑의 박판(2)을 그 아래에 위치하는 박판(2)들의 적층체와 결합시킨다. 이 때 용접이 안된 박판들 사이로는 이미 용접이 되어있는 박판들 사이보다 전류가 덜 잘 흐르기 때문에 발생하는 저항열이 크며, 이런 이유로 새로 적층된 박판과 바로 밑에 있는 박판이 용접이 된다. 이미 결합된 적층체에서 약간의 열이 발생하나, 이는 후술하는 냉각 장치에 의해 외부로 전달된다.

이와 같이 박판들을 저항 용접에 의해 그 전체 표면에서 연속으로 결합시키는 방법으로는 예를 들어 미국 특허 제2,288,184호(1942. 6. 30)에 개시된 결합 방법이 사용될 수 있다.

용접에 적합한 온도를 얻기 위해 큰 전류를 공급할 경우 롤(3)이 과열되어 파손될 수있으므로 롤(3)과, 플랫폼(5)에는 과열을 방지하기 위하여 내부에 (도시되지 않은) 냉각수 통로가 포함되어 있다. 냉각되는 플랫폼(5)를 통해 적층된 각 단면에서 발생하는 열을 외부로 전달할 수 있어 만들고 있는 금형의 과열도 함께 방지할 수 있다. 본 발명에 의한 단면 적층식 급속 조형 방법은 제2도에 도시된 바와 같이 박판들의 적층체에 새 박판(2)를 공급하는 단계와, 상기 박판(2)을 박판들의 적층체와 결합시키는 단계와, 결합된 박판을 원하는 단면으로 절단하는 단계를 포함한다.

새로 공급된 박판(2)과, 플랫폼(5)위에 있는 박판 적층체의 결합은 제1도의 장치에 관해 설명한 바와 같이, 변압기(4)로부터 소정의 전압으로 공급되는 전류(i)의 저항열로 박판과 박판 적층체를 용접함으로써 이루어진다. 위와 같은 방식으로 박판이 결합하면 제1도에 나타난 바와 같이 레이저 광선을 이용하여 원하는 단면을 절단한다. 그 뒤, 다시 새로운 박판을 조형이 완료된 단면 위에 적층하고, 위의 저항식 용접 방법을 통해 새 박판을 결합시키는 과정이 반복하여 원하는 금형 시제품을 완성한다. 완성된 시제품의 표면은 계단식 구조를 지니고 있어, 이를 후가공(polishing)을 통해 보정하여 표면 조도를 개선시킬 수 있다.

현재 산업계에서 금형을 설계한 후 이의 검증을 위하여, 많은 시간과 비용이 요구되는 밀링 가공이나 방전 가공(EDM), 또는 급속 3차원 조형법과 정밀 주조를 사용하여 시제품을 제작하고 있으나, 본 발명에 따른 장비를 통해 신속하게 시제품 금형을 제작하면 여러번의 수정 작업을 통해 설계 오차를 최소화할 수 있어 금형설계의 품질을 개선하고 개발 시간을 크게 단축할 수 있다.

Claims (4)

1. 원하는 단면을 갖는 박판의 적층체를 제작하는 급속 조형 방법에 있어서, 박판들의 적층체에 새 박판(2)을 공급하는 단계와, 상기 박판(2)을 박판들의 적층체와 결합시키는 단계와, 결합한 박판을 원하는 단면으로 절단하는 단계를 포함하고, 상기 결합 단계는 전류(i)를 결합되는 박판(2)을 누르며 이동하는 전기 전도롤(3)과, 박판(2)과, 박판들의 적층체와, 적층체가 위치한 플랫폼(5)를 거쳐 통과시킴으로써 박판(2)과 박판들의 적층체를 용접하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 결합 단계에서 상기 롤(3)과 상기 플랫폼(5)에는 내부의 냉각수 통로를 통해 냉각수가 통과하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 원하는 단면을 갖는 박판의 적층체를 제작하는 급속 조형 장치(1)에 있어서, 적층된 박판들이 위치하는 플랫폼(5)과, 새로 공급되는 박판(2)을 누르면서 이동할 수 있는 롤(3)과, 롤(3)과 박판(2)과 박판들의 적층체와, 플랫폼(5)을 통과하도록 전류를 공급하는 변압기(4)와, 원하는 단면을 갖도록 새로 공급된 박판을 절단하기 위한 절단 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 롤(3)과 상기 플랫폼(5)에는 내부의 냉각수 통로를 통해 냉각수가 통과하는 것을 특징으로 하는 장치.

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