KR101521481B1 - 3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 이로부터 얻어지는 3차원 형상 조형물 - Google Patents

3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 이로부터 얻어지는 3차원 형상 조형물 Download PDF

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Abstract

(i) 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 단계, 및 (ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 추가적인 고화층을 형성하는 단계를 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서, 상기 단계 (i)와 상기 단계 (ii)를 반복 실시할 때, 고화층에 히터 요소를 배치하고, 이에 따라, 3차원 형상 조형물의 내부에 상기 히터 요소를 설치하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.

Description

3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 이로부터 얻어지는 3차원 형상 조형물 {METHOD FOR PRODUCING THREE-DIMENSIONALLY SHAPED STRUCTURE, AND THREE-DIMENSIONALLY SHAPED STRUCTURE OBTAINED BY SAME}
본 발명은 3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 3차원 형상 조형물에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 분말층의 소정 개소(個所)에 광빔을 조사하는 것에 의한 고화층(固化層) 형성을 반복 실시함으로써 복수의 고화층이 적층 일체화된 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법에 관한 것인 동시에, 이에 따라 얻어지는 3차원 형상 조형물에 관한 것이기도 하다.
종래부터, 재료 분말에 광빔을 조사하여 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법(일반적으로는 "분말 소결 적층법"이라고 함)이 알려져 있다. 이러한 방법에서는, "(i) 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사함으로써, 이러한 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하고, (ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 깔아 마찬가지로 광빔을 조사하여 추가적인 고화층을 형성하는" 것을 반복하여 3차원 형상 조형물을 제조하고 있다(특허문헌 1 또는 특허 문헌 2 참조). 재료 분말로서 금속 분말이나 세라믹 분말 등의 무기질의 재료 분말을 사용한 경우에는, 얻어진 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용할 수 있고, 수지 분말이나 플라스틱 분말 등의 유기질의 재료 분말을 사용한 경우에는, 얻어진 3차원 형상 조형물을 모델로 사용할 수 있다. 이와 같은 제조 기술에 의하면, 복잡한 3차원 형상 조형물을 단시간에 제조할 수 있다.
지지 부재 상에서 3차원 형상 조형물을 제조하는 경우를 예로 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 먼저, 소정의 두께 t1의 분말층(22)을 조형물 지지 부재(21) 상에 형성한다(도 1의 (a) 참조). 이어서, 광빔을 분말층(22)의 소정 개소에 조사하여, 그 조사된 분말층의 부분으로부터 고화층(24)을 형성한다. 그리고, 형성된 고화층(24) 상에 새로운 분말층(22)을 깔아 다시 광빔을 조사하여 새로운 고화층을 형성한다. 이와 같은 고화층의 형성을 반복 실시하면, 복수의 고화층(24)이 적층 일체화된 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있다(도 1의 (b) 참조).
특허문헌 1: 일본 공표특허공보 제1989-502890호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 제2000-73108호
3차원 형상 조형물은 금형으로 사용할 수 있지만, 금형을 사용한 사출 성형에 있어서는, "금형이 2점 이상의 게이트(gate)를 가지는 경우" 또는 "1점의 게이트라도 충전 경로 도중에 흐름이 분리되는 캐비티(cavity) 형상을 가지는 경우"에는, 금형 캐비티 내에서 2개의 수지 원료 흐름이 발생할 수 있다. 이 2개의 수지 원료 흐름이 합류하는 면은 "용접 부위(weld)(또는 용접선(weld line))"이라 한다. 이러한 용접 부위가 발생하면, 용접 부위를 은폐하기 위해 얻어지는 성형품에 도장(塗裝)이 필요하거나, 용접 부위에 의한 외관 불량에 기인하여 애당초 성형품으로서 사용할 수 없거나 한다. 이와 같은 용접 부위에 대해서는, 특정한 이론에 구속되는 것은 아니지만, (1) 수지 유로 내의 공기나 수지로부터 발생하는 가스가 압축되어 체류하기 때문에 수지끼리가 접합할 수 없고, (2) 유동 중의 수지의 선단부는 공기에 접촉되어 냉각되므로 2개의 수지 원료 흐름이 합류했을 때 서로 섞이기 어렵다는 등의 발생 요인을 생각할 수 있다.
용접 부위의 발생을 방지하기 위해서는, 다공질의 핀(porous pin)을 사용하거나, 핀 삽입에 의한 벤트(vent)를 행하거나, 또는 금형에 증기 회로 등을 형성하여 가열하거나 할 필요가 있지만, 금형 구조가 복잡해져, 설계가 일반적으로 곤란해진다. 이와 같은 금형에서는, 예를 들면, 온도 조절용 부품과 가스 배출 부품을 볼트 조임 등으로 접속해야 하기 때문이다.
본 발명자들은, "관통하는 중공부를 가지는 온도 제어 블록을 포함하는 매설용 부재를 매설하여 이루어지는 3차원 형상 조형물의 금형"에 대하여 이미 발명을 하였다(일본 공개특허공보 제2000-190086호 참조). 그러나, 본 발명자들에 의한 예의 검토의 결과, 이러한 금형에서는 용접 부위 발생 방지의 점에서 반드시 만족할 만 것이 아니라는 것을 알았다. 왜냐하면, 일본 공개특허공보 제2000-190086의 금형에서는, 어디까지나 매설용 부재의 내부 공간에 온도 조절 소자를 설치하기 때문이며, 그 내부 공간에서의 공기의 열전도율이 매우 낮기 때문이다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 과제는, 금형으로 사용할 수 있는 3차원 형상 조형물로서, 용접 부위 발생을 방지하는 데 특히 바람직한 3차원 형상 조형물을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는,
(i) 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여, 그 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 단계, 및
(ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 그 새로운 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 추가적인 고화층을 형성하는 단계
를 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
단계 (i)와 단계 (ii)를 반복 실시할 때, 고화층에 히터 요소를 배치하고, 이에 따라, 3차원 형상 조형물의 내부에 히터 요소를 설치하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제조 방법의 특징 중 하나는, 3차원 형상 조형물의 용도를 고려하여 히터 요소를 3차원 형상 조형물의 내부에 설치하는 것이다. 구체적으로는, 본 발명에서는, 단계 (i)와 단계 (ii)의 반복 실시 도중에 어느 하나의 시점(point)에 히터 요소를 고화층에 배치하고, 그 후, 추가적인 고화층의 형성을 계속한다.
본 명세서에 말하는 "히터 요소"란, 실질적으로는 발열체를 의미하고 있고, 예를 들면, 코일 등과 같이 통전하면 발열하는 것을 가리키고 있다.
또한, 본 명세서에 말하는 "고화층에 히터 요소를 배치한다"란, 이미 형성된 고화층의 일부의 영역에 히터 요소를 설치하는 것을 실질적으로 의미하고 있다. 특히, 본 발명에서는, 고화층과 직접적으로 접하도록 히터 요소를 설치하는 것을 의미하고 있다.
또한 확인을 위해 언급해 두면, 본 명세서에서 "분말층"이란, 예를 들면, "금속 분말로 이루어지는 금속 분말층"을 실질적으로 가리키고 있다. 또한, "분말층의 소정 개소"란, 제조되는 3차원 형상 조형물의 영역을 실질적으로 의미하고 있다. 따라서, 이러한 소정 개소에 존재하는 분말에 대하여 광빔을 조사함으로써, 그 분말이 소결 또는 용융 고화되어 3차원 형상 조형물의 형상을 구성하게 된다. 그리고, "고화층"은, 분말층이 금속 분말층인 경우에는 "소결층"에 상당할 수 있고, "고화 밀도"는 "소결 밀도"에 상당할 수 있다.
바람직한 일 실시예에서는, 단계 (i) 및 (ii)를 조형물 지지 부재 상에서 실시한다. 즉, 분말층 및 고화층의 형성을 조형물 지지 부재 상에서 실시한다. 이러한 경우, 히터 요소로서 코일 히터를 사용하고, 지지 부재에 설치된 개구부를 통하여, 고화층에 코일 히터를 배치하는 것이 바람직하다. 그리고, 본 명세서에 말하는 "조형물 지지 부재"란, 제조되는 조형물의 토대가 되는 부재를 실질적으로 의미하고 있다. 특히 바람직한 실시예에서는, "조형물 지지 부재"는, 조형 테이블 상에 배치되는 판형 또는 직육면체형의 부재를 가리키고 있다("조형 테이블"에 대해서는 후술을 참조). 조형물 지지 부재의 재질로서는, 특히 제한되는 것은 아니지만, 스틸, 초경(超硬)합금, 고속도 공구강, 합금 공구강, 스테인리스강 및 기계 구조용 탄소강에서 선택되는 적어도 1종 이상의 재질을 들 수 있다.
바람직한 일 실시예에서는, 적층화한 고화층에 형성된 홈부에 히터 요소를 배치한다. 이러한 경우, 홈부에 대하여 절삭 가공을 행하고, 그 절삭 가공을 행한 홈부 면에 대하여 히터 요소를 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 히터 요소의 배치 후에는 홈부에 저융점 금속 분말 재료를 충전하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 그 저융점 금속 분말 재료에 대하여 광빔을 조사하고, 얻어지는 고화 부재로 홈부를 메운다. 이러한 태양에서는, 저융점 금속 분말 재료에 대한 광빔 조사는, 분말층에의 광빔 조사보다 낮은 에너지로 행하는 것이 바람직하다. 또한, 저융점 금속 분말 재료에 대한 광빔 조사에 대하여, 히터 요소에서 멀어짐에 따라 조사 에너지를 서서히 증대시키는 것도 바람직하다. 또한, 저융점 금속 분말 재료로 고화 부재를 형성한 후, 평면 형성을 위한 절삭 가공을 고화 부재 및/또는 고화층에 대하여 행하는 것도 바람직하다.
본 발명에서는, 전술한 제조 방법으로 얻어지는 3차원 형상 조형물도 제공된다. 본 발명의 3차원 형상 조형물은, 히터 요소가 내장되어 있고, 금형으로 바람직하게 사용할 수 있도록 되어 있다. 히터 요소의 바람직한 내장 형태로서는, 예를 들면, 이하의 것을 들 수 있다:
- 금형의 캐비티부로 도입되는 원료 수지가 최종적 또는 마지막으로 도달하게 되는 캐비티 영역에 근접하여 히터 요소가 내장되어 있는 형태.
- 금형에 있어서 얇은 성형부가 형성되는 캐비티 영역에 근접하여 히터 요소가 설치되어 있는 형태.
- 금형의 게이트부에 근접하여 히터 요소가 설치되어 있는 형태.
본 발명의 제조 방법에서는, 분말 소결 적층법을 실시할 때, 히터 요소를 조형물에 바람직하게 매설시킬 수 있다. 특히, 최종적인 용도를 고려한 다음에 조형물의 임의의 국소적 영역에 히터 요소를 간단하고 용이하게 설치할 수 있다.
구체적으로는, 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용하는 것을 상정한 경우, "용접 부위"가 발생할 수 있는 영역의 근방에만 히터 요소를 배치할 수 있으므로, 수지 성형 시의 용접 부위 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. 이 점, 종전의 금형에서는, 일반적으로 3차원 형상 조형물 내를 통과하도록 중공형 유로에 유동성 열 매체를 흘리게 되는데, 중공형 유로의 설치 경로에 기인하여 금형이 전체적으로 가열되는 경향이 있어, 필요한 국소적 영역(예를 들면, 용접 부위가 발생할 수 있는 지점)에만 가열을 행하도록 되어 있지 않다. 종전의 금형에 있어서, 국소적 영역에 가열 요소를 설치하는 경우를 상정하면, 코어(core) 측 또는 캐비티 측의 금형에 대해 2 부품으로 구성할 필요가 있고, 한쪽의 부품에 가열 요소를 배치한 후에, 다른 쪽의 부품으로 커버를 하여 체결 부재로 고정할 것을 필요로 하므로, 부품 수가 많아져 구조가 복잡해진다. 이와 같은 종전 태양에 대하여, 본 발명의 제조 방법에서는, 순차적인 형성의 도중에 히터 요소를 고화층 상에 배치하므로 부품 수 자체는 특히 증가하지 않고, 또한 히터 요소의 설치 영역의 제약은 비교적 적고, 원하는 국소적 영역에 히터 요소를 바람직하게 설치할 수 있다(히터 요소의 설치 개소에 제약이 적기 때문에, 가스 배출부나 냉각관을 바람직하게 조합할 수 있어, 용접 부위 방지를 더욱 효과적으로 행할 수 있다).
본 발명의 3차원 형상 조형물은, 금형으로 바람직하게 사용할 수 있다. 특히 원하는 국소적 영역에만 발열 요소가 형성되어 있고, 또한 금형 구성재에 직접적으로 접하도록 발열 요소가 형성되어 있으므로, "온도 제어 효율"이나 "응답성" 등의 점에서 바람직한 금형이 실현되어 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 히터 요소의 설치 개소에 제약이 적고, 가스 배출부나 냉각관도 원하는 영역에 설치할 수 있으므로, 이와 같은 점을 감안하여 "온도 제어 효율"이나 "응답성"에서 바람직한 금형이 실현되어 있다고 할 수 있다.
도 1은 광 조형 복합 가공기의 동작을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 광 조형 장치의 태양을 모식적으로 나타낸 사시도이다(도 2의 (a): 절삭 기구를 구비한 복합 장치, 도 2의 (b): 절삭 기구를 구비하지 않은 장치).
도 3은 분말 소결 적층법이 행해지는 태양을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 분말 소결 적층법이 실시되는 광 조형 복합 가공기의 구성을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 광 조형 복합 가공기의 동작의 흐름도이다.
도 6은 광 조형 복합 가공 프로세스를 경시적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 제조 방법의 개념을 모식적으로 나타낸 도면이다(도 7의 (a): 히터 요소의 설치, 도 7의 (b): 히터 요소의 설치 후, 도 7의 (c): 적층화 완료).
도 8은 본 발명의 제조 방법에서의 단계를 모식적으로 나타낸 도면이다(히터 요소를 설치하기 전의 태양).
도 9는 본 발명의 제조 방법에서의 단계를 모식적으로 나타낸 도면이다(히터 요소를 설치할 때의 태양).
도 10은 적층화한 고화층에 형성된 홈부의 태양을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 조형물 지지 부재의 태양을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 12는 개구부에 잔존한 금속 분말을 빨아내는 태양을 모식적으로 나타낸 도이다.
도 13은 본 발명의 제조 방법에서의 단계를 모식적으로 나타낸 도면이다(히터 요소의 설치 후의 태양).
도 14는 홈부를 메우는 고화부를 형성하는 태양을 모식적으로 나타낸 도면이다(도 14의 (a): 고화부 형성의 개념도, 도 14의 (b): 고화부를 광빔 조사로 일괄하여 형성하는 태양, 도 14의 (c): 고화부를 복수의 층으로 나누어 형성하는 태양).
도 15는 홈부를 절삭 가공하는 태양을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 16은 홈부에 다공형 고화부를 형성하는 태양을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 17은 소결 밀도(체적 밀도: bulk density)와 열전도율과의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 18은 평면 형성을 위한 절삭 가공의 태양을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 19는 가스 배출부의 형성 단계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 20은 가스 배출부의 다른 형태를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 21은 냉각관의 설치 태양을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 22는 냉각관의 설치 태양을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 23은 본 발명의 금형을 사용한 수지 성형의 조작 태양을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
[분말 소결 적층법]
먼저, 본 발명의 제조 방법의 전제가 되는 분말 소결 적층법에 대하여 설명한다. 설명의 편의상, 재료 분말 탱크로부터 재료 분말을 공급하고, 고름판(leveling plate)을 사용하여 재료 분말을 평평하게 하여 분말층을 형성하는 태양을 전제로 하여 분말 소결 적층법을 설명한다(그리고, 본 발명은, 절삭 기구를 구비하지 않는 도 2의 (b)에 나타낸 태양이라도 실현 가능하다는 것을 부언해 둔다). 또한, 분말 소결 적층법을 실시할 때는 조형물의 절삭 가공도 병행하여 행하는 복합 가공의 태양을 예로 들어 설명한다(즉, 도 2의 (b)가 아니라 도 2의 (a)에 나타낸 태양을 전제로 한다). 도 1, 도 3 및 도 4에는, 분말 소결 적층법과 절삭 가공을 실시할 수 있는 광 조형 복합 가공기의 기능 및 구성이 나타나 있다. 광 조형 복합 가공기(1)는, "금속 분말을 소정의 두께로 까는 것에 의해 분말층을 형성하는 분말층 형성 수단(2)", "외주가 벽(27)으로 에워싸인 조형 탱크(29) 내에서 상하로 승강하는 조형 테이블(20)", "조형 테이블(20) 상에 배치되고 조형물의 토대가 되는 조형물 지지 부재(21)", "광빔(L)을 임의의 위치에 조사하는 광빔 조사 수단(3)", 및 "조형물의 주위를 깎는 절삭 수단(4)"을 주로 구비하고 있다. 분말층 형성 수단(2)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, "외주가 벽(26)으로 에워싸인 재료 분말 탱크(28) 내에서 상하로 승강하는 분말 테이블(25)"과, "조형물 지지 부재(21) 상에 분말층(22)을 형성하기 위한 고름판(23)"을 주로 포함하여 이루어진다. 광빔 조사 수단(3)은, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, "광빔(L)을 발생하는 광빔 발진기(30)"와, "광빔(L)을 분말층(22) 상에 스캐닝(주사)하는 갈바노미러(Galvano mirror)(31)(스캔 광학계)"를 주로 포함하여 이루어진다. 필요에 따라, 광빔 조사 수단(3)에는, 광빔 스폿의 형상을 보정하는 빔형상 보정 수단(예를 들면, 한 쌍의 원통형(cylindrical) 렌즈와, 이러한 렌즈를 광빔의 축선 주위에 회전시키는 회전 구동 기구를 포함하여 이루어지는 수단)이나 fθ 렌즈 등이 구비되어 있다. 절삭 수단(4)은, "조형물의 주위를 깎는 밀링 헤드(milling head)(40)"와, "밀링 헤드(40)를 절삭 개소로 이동시키는 XY 구동 기구(41)(41a, 41b)"를 주로 포함하여 이루어진다(도 3 및 도 4 참조).
광 조형 복합 가공기(1)의 동작을 도 1, 도 5 및 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 5는 광 조형 복합 가공기의 일반적인 동작 흐름을 나타내고 있다. 도 6은 광 조형 복합 가공 프로세스를 모식적으로 간단히 나타내고 있다.
광 조형 복합 가공기의 동작은, 분말층(22)을 형성하는 분말층 형성 단계(S1)와, 분말층(22)에 광빔(L)을 조사하여 고화층(24)을 형성하는 고화층 형성 단계(S2)와, 조형물의 표면을 절삭하는 절삭 단계(S3)로 주로 구성되어 있다. 분말층 형성 단계(S1)에서는, 최초에 조형 테이블(20)을 Δt1 내린다(S11). 이어서, 분말 테이블(25)을 Δt1 올린 후, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 고름판(23)을, 화살표 A 방향으로 이동시킨다. 이로써, 분말 테이블(25)에 배치되어 있었던 분말(예를 들면, "평균 입자 직경 5㎛∼100㎛ 정도의 철 분말")을 조형물 지지 부재(21) 위로 이송시키면서(S12), 소정 두께 Δt1로 평평하게 하여 분말층(22)을 형성한다(S13). 다음에, 고화층 형성 단계(S2)로 이행하여, 광빔 발진기(30)로부터 광빔(L)(예를 들면, 탄산 가스 레이저(500W 정도), Nd:YAG 레이저(500W 정도), 섬유 레이저(500W 정도) 또는 자외선 등을 발생시켜(S21), 광빔(L)을 갈바노미러(31)에 의해 분말층(22) 상의 임의의 위치에 스캐닝한다(S22). 이로써, 분말을 용융시키고, 고화시켜 조형물 지지 부재(21)와 일체화한 고화층(24)을 형성한다(S23). 광빔은, 공기 중을 전달시키는 것에 한정되지 않고, 광섬유 등으로 전송시켜도 된다.
고화층(24)의 두께가 밀링 헤드(40)의 공구 길이 등으로부터 구한 소정 두께가 될 때까지 분말층 형성 단계(S1)와 고화층 형성 단계(S2)를 반복하여, 고화층(24)을 적층한다(도 1의 (b) 참조). 그리고, 새롭게 적층되는 고화층은, 소결 또는 용융 고화할 때, 이미 형성된 하층을 이루는 고화층과 일체화하게 된다.
적층한 고화층(24)의 두께가 소정의 두께가 되면, 절삭 단계(S3)로 이행한다. 도 1 및 도 6에 나타낸 바와 같은 태양에서는 밀링 헤드(40)를 구동시킴으로써 절삭 단계의 실시를 개시하고 있다(S31). 예를 들면, 밀링 헤드(40)의 공구(볼 엔드밀: boll and mill)가 직경 1mm, 유효 날 길이 3mm인 경우, 깊이 3mm의 절삭 가공이 가능하므로, Δt1이 0.05mm 이면, 60층의 고화층을 형성한 시점에서 밀링 헤드(40)를 구동시킨다. XY 구동 기구(41)(41a, 41b)에 의해 밀링 헤드(40)를 화살표 X 및 화살표 Y 방향으로 이동시켜, 적층한 고화층(24)으로 이루어지는 조형물의 표면을 절삭 가공한다(S32). 그리고, 3차원 형상 조형물의 제조가 여전히 종료되지 않은 경우에는, 분말층 형성 단계(S1)로 되돌아가게 된다. 이후, S1 내지 S3를 반복하여 추가적인 고화층(24)을 적층함으로써, 3차원 형상 조형물의 제조를 행한다(도 6 참조).
고화층 형성 단계(S2)에서의 광빔(L)의 조사 경로와, 절삭 단계(S3)에서의 절삭 가공 경로는, 미리 3차원 CAD 데이터보다 작성하여 둔다. 이때, 등고선 가공을 적용하여 가공 경로를 결정한다. 예를 들면, 고화층 형성 단계(S2)에서는, 3차원 CAD 모델로부터 생성한 STL 데이터를 등(等) 피치(예를 들면, Δt1를 0.05mm로 한 경우에는 0.05mm 피치)로 분할한 각 단면의 윤곽 형상 데이터를 사용한다.
[본 발명의 제조 방법]
본 발명은, 전술한 분말 소결 적층법 중에서도, 특히 적층화 도중의 단계에 특징이 있다. 구체적으로는, 고화층 형성을 반복 실시할 때, 히터 요소(70)를 고화층(24)에 설치하는 것을 특징으로 하고 있다(도 7의 (a)∼(c) 참조). 본 발명에서는, 고화층의 임의의 개소에 히터 요소를 설치해 두는 것이 가능하므로, 최종적으로 얻어지는 3차원 형상 조형물에서는, 그 내부의 원하는 개소에 히터 요소가 설치되게 된다. 이와 같이 하여 얻어지는 3차원 형상 조형물은 수지 성형용의 금형으로 사용할 수 있지만, 히터 요소가 국소적으로 형성되어 있고, 또한 금형 구성재에 직접적으로 접하도록 형성되어 있으므로, 용접 부위 방지에 특히 효과적이다.
이하에서는, 도 8∼도 13을 참조하여 본 발명의 제조 방법을 경시적으로 설명해 간다. 또한, 본 발명에서 사용하는 금속 분말은, 철계 분말을 주성분으로 한 분말으로서, 경우에 따라서는 니켈 분말, 니켈계 합금 분말, 동 분말, 구리계 합금 분말 및 흑연 분말 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종류를 더 포함하여 이루어지는 분말이라도 된다(일례로서, 평균 입자 직경 20㎛ 정도의 철계 분말의 배합량이 60∼90중량%, 니켈 분말 및 니켈계 합금 분말 모두 또는 어느 한쪽의 배합량이 5∼35중량%, 동 분말 및/또는 구리계 합금 분말 모두 또는 어느 한쪽의 배합량이 5∼15중량%, 및 흑연 분말의 배합량이 0.2∼0.8중량%인 금속 분말을 들 수 있다). 그리고, 금속 분말은, 이와 같은 철계 분말로 한정되지 않고, 구리계 분말이나 알루미늄 분말도 가능하다. 또한, 3차원 형상 조형물을 금형 이외의 용도로 사용하는 것이면, 플라스틱 분말이나 세라믹 분말도 가능하다는 것을 부언해 둔다.
본 발명을 실시할 때는, 먼저, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 고름판(23) 등을 사용하여, 조형물 지지 부재(21) 상에 금속 분말층(22)을 형성한다. 이어서, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 이러한 금속 분말층(22)에 대하여 광빔(L)을 조사하여, 금속 분말층(22)으로부터 소결층(24)을 형성한다. 금속 분말층(22) 및 소결층(24)의 두께는, 특히 제한은 없지만, 예를 들면, 0.02mm∼0.5mm 정도, 바람직하게는 0.02mm∼0.2mm 정도라도 된다. 이와 같은 소결층(24)의 형성을 반복 실시하면(도 9의 (a) 참조), 원하는 조형물이 형성되어 가지만, 소정의 시점에서 일단, 소결층(24)의 형성을 정지시킨다. 그리고, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 그때까지 형성된 고화층(24)에 대하여 히터 요소(70)를 배치한다.
히터 요소(70)로서는, 특히 제한되지는 않지만, 코일 히터를 사용하는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 "코일 히터"란 코일형으로 굽힐 수 있는 가요성의 발열부를 가지는 히터 요소를 실질적으로 의미하고 있다. 본 발명에서는, 예를 들면, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 적층화된 고화층의 홈부(80)에 대하여 코일 히터(70)의 발열부(70a)를 배치하는 것이 바람직하다.
적층화된 고화층의 홈부(80)는, 소결층(24)을 형성할 때, 광빔을 조사하는 개소와 그렇지 않은 개소로 나눔으로써 형성할 수 있다. 즉, 금속 분말층(22)에 있어서 홈부(80)를 설치하고 싶은 분말 영역에는 광빔을 조사하지 않고 분말 상태인 채로 두고, 마지막으로 그 영역 부분의 분말을 제거하면, 홈부(80)를 얻을 수 있게 된다.
홈부(80)의 형상은, 특히 제한되지 않고, "사용되는 코일 요소의 형태"나"코일 요소가 설치되는 태양" 등에 따라 적당한 형상을 선택하면 된다. 코일 히터가 사용되는 경우에는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 링형 내지는 환형의 홈부(80)라도 된다. 이러한 경우, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 가요성의 발열부(70a)를 굽혀서 홈부에 따라 코일 히터를 배치하는 것이 바람직하다. 도시한 같은 링형 내지는 환형의 홈부(80)의 경우, 홈부의 폭 치수(w)는 0.1∼5mm 정도, 홈부의 높이 치수(h)는 0.1∼5mm 정도라도 된다(도 10 참조).
여기서, 코일 히터(70)를 홈부(80)에 설치하는 경우, "조형물 지지 부재(21)" 및"소결층(24)"의 개구부(90a, 90b)를 통하여 행하는 것이 바람직하다("개구부"에 대해서는 도 10 참조). 구체적으로는, 코일 히터(70)의 발열부(70a)를, 조형물 지지 부재(21)의 개구부(90a)(특히 개구부의 아래쪽 입구(90a')로부터 삽입하고, 계속하여, 소결층(24)의 개구부(90b)로 삽입한다. 이로써, 최종적으로 홈부에 대하여 아래쪽으로부터 코일 히터(70)의 발열부(70a)를 도입할 수 있다. 코일 히터에서는 발열부(70a)는 유연하게 굽힐 수 있으므로, 개구부(90a, 90b)를 거친 후에도 최종적으로 홈부(80)의 형상을 따라 바람직하게 설치할 수 있다. 이와 같은 코일 히터를 설치할 때는, 조형물 지지 부재(21)로서, 도 11에 나타낸 바와 같이, 미리 개구부(90a)가 설치된 것을 이용하면 된다(예를 들면, 금속제의 조형물 지지 부재(21)의 경우에는 드릴 가공 등의 기계 가공에 의해 개구부(90a)를 형성할 수 있다). 또한, 소결층(24)의 개구부(90b)에 대해서는, 홈부(80)의 형성과 마찬가지로, 소결층(24)을 형성할 때 광빔을 조사하는 개소와 그렇지 않은 개소로 나누어서 형성할 수 있다. 즉, 금속 분말층(22)에서 개구부(90b)에 상당하는 분말 영역에는 광빔을 조사하지 않고 분말 상태인 채로 두고, 마지막에 그 영역 부분의 분말을 제거하면 개구부(90b)를 얻을 수 있게 된다. 또한, 소결층의 개구부(90b)는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 조형물 지지 부재(21)의 개구부(90a)와 홈부(80) 모두와 연결되어 통하도록 형성하는 것이 바람직하다. 이로써, 개구부를 통한 코일 히터(70)의 순조로운 배치가 도움을 받는다.
또한, 개구부(90a, 90b)를 통한 코일 요소(70)의 배치는, 소결층과 조형물 지지 부재와의 일체화물을 재료 분말 탱크로부터 일단 인출하고 나서 행하여도 된다. 이로써, 개구부(90a, 90b)에 찬 금속 분말을 용이하게 제거할 수 있다. 이러한 금속 분말을 제거할 때는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 필요에 따라 흡인기(60) 등을 사용함으로써, 개구부(90a, 90b)에 잔존한 금속 분말(22)을 빨아내는 조작을 행해도 된다.
히터 요소(70)를 홈부(80)에 배치한 후에는, 소결층(24)의 형성을 재개한다. 즉, 다시 금속 분말층의 부설 및 광빔의 조사를 반복하게 된다(도 13의 (a) 및 (b) 참조). 구체적으로는, 먼저, 홈부(80)를 매립하고, 그 후, 지금까지와 마찬가지로"고름판 등에 의한 금속 분말층의 형성" 및 "광빔 조사에 의한 소결층(24)의 형성"을 반복 실시한다. 이상의 조작을 거침으로써, 히터 요소가 원하는 위치에 매설되고 3차원 형상 조형물이 최종적으로 얻어진다.
그리고, 히터 요소의 배치 후에 홈부(80)를 메우기 위해서는, 금속 분말층의 형성에 사용한 고름판 등을 이용하여 홈부에 금속 분말을 충전한 후, 그 충전된 금속 분말에 대하여 광빔(L)을 조사하여 행하는 것이 바람직하다(도 14의 (a) 참조). 홈부에 충전된 금속 분말에 광빔이 조사되면, 그 금속 분말이 고화하므로(즉, 소결 해 고화부(80a)가 형성되므로), 홈부(80)가 바람직하게 메워지게 된다. 이때, 홈부에 충전한 금속 분말을 일괄하여 광빔 조사를 해도 된다(도 14의 (b)). 또는, 홈부에 충전되는 금속 분말을 복수의 층으로 나누어 형성하고, 각각의 층마다 광빔 조사를 해도 된다(도 14의 (c)).
전술한 태양은 본 발명의 적용 범위 중 전형적인 예를 예시한 것에 지나지 않는다. 본 발명에서는, 이들에 한정되지 않고, 다양한 변경 태양이 가능하다. 이하 이에 대하여 상세하게 설명한다.
(홈부의 절삭 가공)
"홈부의 절삭 가공"의 태양을 도 15에 나타낸다. 이러한 태양에서는, 고화층의 홈부에 히터 요소를 배치하기에 앞서, 홈부(80)에 절삭 가공을 행한다. 이로써, 표면 거칠기가 개선되므로, 홈부에 배치된 히터 요소와 홈부와의 밀착성이 향상된다. 히터 요소의 밀착성이 향상됨으로써, 즉 히터 요소와 홈부 면과의 접촉률이 향상되면, 3차원 형상 조형물의 최종적인 용도에 있어서, 히터 요소로부터의 열이 3차원 형상 조형물에 효율적으로 전달되게 된다. 그리고, 여기서 말하는, 본 명세서에 말하는 "절삭 가공"이란, 공구를 사용하여 3차원 형상 조형물을 자르고 깍는 것을 의미하고 있고, 특히, 3차원 형상 조형물의 표면 요철을 제거하기 위한 조작을 실질적으로 의미하고 있다.
사용하는 절삭 가공 수단은, 표면 절삭을 행하는 것이면 어떤 것이라도 된다. 예를 들면, 전술한 광 조형 복합 가공기의 절삭 가공 수단(예를 들면, 도 2의 (a) 참조)을 사용할 수 있다. 다시 말해, 절삭 가공 수단은, 범용의 수치 제어(NC: Numerical Control) 공작 기계 또는 이에 준하는 것일 수 있다. 엔드밀(end mill) 등의 절삭 공구를 자동 교환 가능한 머시닝 센터(MC: Machining Center)인 것이 바람직하다. 엔드밀은, 예를 들면, 초경 소재의 2날 볼 엔드밀이 주로 사용된다. 필요에 따라, 스퀘어 엔드밀(square end mill), 라디우스엔드밀(radius end mill), 드릴 등을 사용해도 된다.
홈부에 표면 절삭 가공을 행함으로써, 그 홈부에서의 표면 거칠기를 개선할 수 있다. 예를 들면, 표면 절삭 가공이 행해진 개소의 표면 거칠기(Rz)를, 바람직하게는 10㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 5㎛ 이하, 더욱더 바람직하게는 0.1㎛ 이하로 할 수 있다. 여기서 "표면 거칠기(Rz)"란, 거칠기 곡선(본 발명에서 말하면 "홈부 표면의 단면 형상 프로파일")에 있어서 평균선에서 "가장 높은 산정부까지의 높이"와 "가장 낮은 골 바닥부까지의 깊이"를 서로 더함으로써 얻어지는 거칠기 척도를 의미하고 있다.
(다공형 고화부의 형성)
"다공형 고화부"의 태양을 도 16에 나타낸다. 이러한 태양에서는, 홈부(80)에 금속 분말을 충전한 후, 그 충전된 금속 분말에 저에너지의 광빔을 조사하여, 홈부(80)를 메우는 다공형의 고화부(80b)(즉, "거친 상태의 소결부")를 형성한다. 즉, 홈부(80)에 충전된 금속 분말에 조사하는 광빔의 출력 에너지를 낮춰 소결 밀도를 불충분하게 하여, 소결 밀도가 예를 들면, 약 40%∼약 90%인 고화부를 형성한다(또한, 3차원 형상 조형물의 소결층(24)의 소결 밀도는 약 90∼100% 정도이다.) 이와 같이 다공형 고화부를 형성함으로써, 광빔에 의한 히터 요소의 손상을 효과적으로 방지할 수 있다. 여기서, 본 명세서에 말하는 "소결 밀도(%)"란, 조형물의 단면 사진을 화상 처리함으로써 구한 소결 단면 밀도(금속 재료의 점유율)를 실질적으로 의미하고 있다. 사용하는 화상 처리 소프트는 Scion Image ver. 4.0.2(프리 소프트웨어)로서, 단면 화상을 소결부(흰색)와 빈 구멍부(검은색)으로 2진수화한 후, 화상의 전(全) 화소 수(Pxall) 및 소결부(흰색)의 화소 수(Pxwhite)를 카운트함으로써, 이하의 식 (1)에 의해 소결 단면 밀도(ρS)를 구할 수 있다.
[식 1]
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그리고, 본 발명자들은, 예의 검토한 결과, 이와 같이 다공형의 고화부를 형성한 경우라도, 그 부분의 열전도율은 여전히 높고, 히터 요소로부터의 열이 효과적으로 조형물에 전달되는 것을 발견하였다.여 있다. 이에 대해서는, 도 17을 참조하기 바란다(또한, 소결 밀도가 약 40%∼약 90%인 고화층은, 도 17의 그래프에서의 "부피 밀도 ρ" 6500∼7500kg/m3에 상당할 수 있는 점에 유의하기 바란다). 즉, 다공형의 고화부를 형성한 경우에도 그 부분에서의 전열 효율이 저하되지 않기 때문에, 최종적으로 얻어지는 3차원 형상 조형물을 금형 용도로 바람직하게 사용할 수 있다.
다공형 고화부(80b)는, (a) 광빔의 출력 에너지를 낮춤으로써 형성할 수 있는 외에, (b) 광빔의 주사 속도를 올리고, (c) 광빔의 주사 피치를 넓히고, (d) 광빔의 집광 직경을 크게 하는 등에 의해서도 형성할 수 있다. 상기 (a)∼(d)는, 단독으로 행해도 되지만, 이들을 다양하게 조합하여 행해도 된다. 그리고, 상기 (a)에 대하여 말하면, 예를 들면, 광빔의 조사 에너지 밀도(E)를 약 2∼3J/mm2로 함으로써 소결 밀도가 약 70∼80% 정도인 다공형 고화부를 형성할 수 있다. 그리고, 에너지 밀도(E) = 레이저 출력(W)/(주사 속도(mm/s)×주사 피치(mm))이다(제조 조건은, 예를 들면, 분말의 적층 두께: 0.05mm, 레이저의 종류: CO2(탄산 가스)레이저, 스폿 직경: 0.5mm이다. 이하의 설명에서도 동일하다).
(저융점 금속 분말 재료의 충전)
이러한 태양은, 히터 요소의 배치 후의 홈부(80)에 충전하는 금속 분말로서, 저융점 금속 분말 재료를 사용하는 태양이다. 즉, 도 14의 (a)∼(c) 태양에 있어서, 홈부(80)에 저융점 금속 분말을 충전하고, 그 충전 후의 홈부에 대하여 광빔을 조사함으로써 저융점 금속 분말로부터 고화부(80c)를 형성한다. 본 명세서에서 "저융점 금속 분말 재료"에서의 "저융점"이란, 3차원 형상 조형물의 본체(body)부를 형성하는 고화층의 형성에 사용하는 금속 분말보다 낮은 융점을 실질적으로 의미하고 있고, 예를 들면, 100℃∼1000℃ 정도의 융점을 가리키고 있다. 이와 같은 저융점 금속 분말 재료를 예시하면, 동합금, 알루미늄 합금, 땜납 분말 등의 주석계 합금 및 인듐계 합금 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종류를 포함하여 이루어지는 분말을 들 수 있다.
저융점 금속 분말 재료를 사용하는 태양에서는, 소결층 형성 시보다 낮은 에너지의 광빔으로써 홈부(80)를 메우는 고화부(80c)를 형성할 수 있으므로, 히터 요소(70)의 손상을 방지할 수 있다. 즉, 소결층(24)의 형성 시보다 광빔의 출력 에너지를 낮춰 홈부(80)를 메우는 고화부(80c)를 형성할 수 있다. 이와 같이, (a) 광빔의 출력 에너지를 낮추는 것 외에, (b) 광빔의 주사 속도를 올리고, (c) 광빔의 주사 피치를 넓히고, (d) 광빔의 집광 직경을 크게 함으로써도, 소결층 형성 시보다 낮은 에너지의 광빔으로 홈부(80)를 메우는 고화부(80c)를 형성할 수 있다. 상기 (a)∼(d)는, 단독으로 행해도 되지만, 이들을 다양하게 조합하여 행해도 된다. 그리고, 상기 (a)에 대하여 말하면, 예를 들면, 조사 에너지 밀도(E)가 4∼15J/mm2 정도의 광빔으로써도 소결층(24)을 형성하는 것에 대하여, 홈부(80)를 메우는 고화부(80c)를 조사 에너지 밀도(E)가 약 0.1∼4J/mm2인 광빔에 의해 형성하여 이루어진다.
그리고, 저융점 금속 분말 재료를 사용하는 태양에서는, 저융점 금속 분말 재료에 조사하는 광빔의 에너지를, 히터 요소에서 멀어짐에 따라 서서히 증대시키는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도 14의 (c)에 나타낸 바와 같이, 홈부에 충전되는 저융점 금속 분말을 복수의 층으로 나누어 형성하여 각각의 층마다 광빔 조사를 행하는 경우에는, 보다 위쪽의 층일수록 광빔의 에너지 밀도(E)를 더 높게 하는 것이 바람직하다. 이로써, 광빔 조사에 의한 히터 요소의 손상을 더 방지할 수 있는 동시에, 홈부를 메우는 고화부의 열전도율을 효과적으로 증가시킬 수 있다. 어디까지나 예시에 지나지 않지만, 홈부에 충전되는 저융점 금속 분말을 1∼10층으로 나누었을 경우, 최하층에 대한 광빔의 에너지 밀도(E)를 0.1∼2J/mm2 정도로 하는 데 대하여, 최상층에 대한 광빔의 에너지 밀도(E)를 1∼4J/mm2 정도로 하고, 중간층에 대하여 일정한 간격(예를 들면, 0.2∼0.5J/mm2 정도)으로 에너지 밀도(E)를 단계적으로 상승시켜도 된다.
(평면 형성을 위한 절삭 가공)
"평면 형성을 위한 절삭 가공"의 태양을 도 18에 나타낸다. 이러한 태양에서는, 금속 분말 또는 저융점 금속 분말로 홈부(80)를 메우는 고화부(80a, 80c)를 형성한 후, 고화부의 상면(80A)과 최상 소결층의 상면(24A)이 단차가 없는 동일 평면이 되도록 절삭 가공을 행한다(즉, 홈부를 메우는 고화부를 형성한 경우에는, 분말층의 두께가 상이하기 때문에, 소결면이 거칠어지므로, 소결 상태가 안정될 때까지 강제적으로 평면 마무리를 실시한다. 사용하는 절삭 가공 수단은, "동일 평면"을 가능하게 하는 것, 즉 평탄한 면의 형성을 가능하게 하는 것이면 어느 것이라도 된다. 예를 들면, 전술한 광 조형 복합 가공기의 절삭 가공 수단을 사용할 수 있다. 다시 말해, 평면 형성을 위한 절삭 가공 수단은, 범용의 수치 제어(NC) 공작 기계 또는 이에 준하는 것일 수 있다. 엔드밀 등의 절삭 공구를 자동 교환 가능한 머시닝 센터(MC)인 것이 바람직하다. 엔드밀은, 예를 들면, 초경 소재의 2날 볼 엔드밀이 주로 사용된다. 필요에 따라, 스퀘어 엔드밀, 라디우스 엔드밀 등을 사용해도 된다.
이와 같이, 고화부의 상면(80A)과 최상 소결층의 상면(24A)이 동일 평면이 되도록 절삭 가공을 행함으로써, 히터 요소의 설치 후에 행하는 분말층 형성을 바람직하게 행할 수 있고, 나아가서는, 이후의 소결층 형성을 바람직하게 행할 수 있다.
(가스 배출부의 형성)
"가스 배출부의 형성"의 태양을 도 19에 나타낸다. 이러한 태양에서는, 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용할 때 "가스 배출"이 가능하도록, 다공형의 고화 부분(24b)을 형성한다. 이 다공형의 고화 부분(24b)은, 예를 들면, 소결 밀도가 70∼80% 정도가 된 부분이다. 이러한 다공형의 고화 부분(24b)은, (a) 광빔의 출력 에너지를 낮춤으로써 형성할 수 있는 외에, (b) 광빔의 주사 속도를 올리고, (c)광빔의 주사 피치를 넓히고, (d) 광빔의 집광 직경을 크게 하는 등에 의해서도 형성할 수 있다. 상기 (a)∼(d)는, 단독으로 행해도 되지만, 이들을 다양하게 조합하여 행해도 된다. 그리고, 상기 (a)에 대하여 말하면, 광빔의 조사 에너지 밀도(E)를, 예를 들면, 2∼3J/mm2 정도로 함으로써 소결 밀도를 약 70∼80% 정도로 할 수 있어, 다공형의 고화 부분(24b을 얻을 수 있다.
다공형의 고화 부분(24b)은, 코일 히터에 인접하여 설치하여도 되고, 예를 들면, 도 19에 나타낸 바와 같이 코일 히터의 발열부(70a)의 내측 영역에 설치해도 된다. 또한, 도 20에 나타낸 바와 같이 비교적 얇은 다공형의 고화 부분(24b)을 형성한 경우에는, 그 바닥 측에 "보강용의 빔 부재(24c)"를 형성하여, 다공형의 고화 부분(24b)을 지지하도록 한 태양으로 해도 된다. 그리고, 이와 같은 다공형의 고화 부분(24b)은, 어디까지나 "가스 배출"에 제공하기 위해, 수지 성형 시에 원료 수지가 마지막으로 도달하는 영역, 예를 들면, 2개의 수지 원료 흐름이 합류하는 캐비티 내 영역에 근접하여 설치하는 것이 바람직하다(3차원 형상 조형물을 금형으로 사용하는 경우).
히터 요소의 설치와 함께 다공형의 고화 부분(24b)이 형성된 3차원 형상물에는, 성형 시에 국소적인 가열과 캐비티 내의 가스 배출을 행할 수 있으므로, 용접 부위의 발생을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
(냉각관의 형성)
"냉각관의 형성"의 태양을 도 21 및 도 22에 나타낸다. 이러한 태양에서는, 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용할 때 "냉각액"을 흐릴 수 있도록, 파이프형 경로(24d)를 조형물에 형성한다. 이 파이프형 경로(24d)는, 소결층(24)을 형성할 때 광빔을 조사하는 개소와 그렇지 않은 개소로 나눔으로써 형성할 수 있다. 즉, 금속 분말층에 있어서 파이프형 경로(24d)를 설치하고 싶은 분말 영역에는 광빔을 조사하지 않고 분말 상태인 채로 두고, 마지막으로 그 영역 부분의 분말을 제거함으로써, 중공 부분을 형성할 수 있다. 그리고, 도 21 및 도 22에 나타낸 바와 같이, 조형물 지지 부재(21)와 일체화한 조형물(24)을 금형으로 사용하는 경우에는, 조형물 지지 부재(21)에도 파이프형 경로(24d')를 설치하여 두는 것이 바람직하다.
이와 같이, 히터 요소의 설치와 함께 파이프형 경로(24d)를 형성하면, 금형의 온도 조정을 더욱 효과적으로 행할 수 있어, 예를 들면, 용접 부위 발생의 방지와 성형 시의 냉각 단계를 바람직하게 행할 수 있다. 그리고, 도 21 및 도 22에 나타낸 태양에서는, 히터 요소 및 파이프형 경로(24d)와 함께, 다공형 고화 부분(24b)도 형성되어 있다. 이러한 태양에서는, 성형 시에 국소적인 가열과 캐비티 내의 가스 배출을 행하여 용접 부위 발생을 효과적으로 방지하면서, 그 후의 냉각 단계를 효율적으로 행할 수 있다.
[본 발명의 3차원 형상 조형물]
다음에, 전술한 제조 방법으로 얻어지는 본 발명의 3차원 형상 조형물에 대하여 설명한다. 본 발명의 3차원 형상 조형물은, 코어(core) 측 또는 캐비티(cavity) 측의 금형으로 사용할 수 있도록 히터 요소가 내장되어 있다. 특히, 본 발명의 금형에서는 히터 요소가 국소적으로 내장되어 있으므로, 그 근방의 캐비티면을 효과적으로 가열할 수 있도록 되어 있다. 본 발명에서의 히터 요소의 내장 형태로서는, 여러 가지를 생각할 수 있다. 이하, 그 대표예에 대하여 상세하게 설명한다.
(용접 라인 발생 영역/최종 충전 영역에 근접한 내장 형태)
이러한 형태에서는, 수지 성형 시에 원료 수지가 마지막으로 도달하는 위치(최종 충전 위치·용접 라인 발생 위치)의 근방에 히터 요소가 내장되어 있다. 다시 말해, 캐비티부로 도입되는 원료 수지가 최종적으로 도달하게 되는 영역에 근접하여 히터 요소가 내장되어 있다. 여기서, 본 명세서에서 "근접하여 히터 요소가 내장되어 있다"란, 대상이 되는 영역에서 히터 요소가 약 0.5∼20mm 이격되어 위치하고 있는 태양을 의도하고 있다.
이러한 형태에서는, 수지 성형 시에 원료 수지가 마지막으로 도달하는 영역(예를 들면, 2개의 수지 원료 흐름이 합류하는 캐비티 내 영역)이 국소적으로 가열되므로, 용접 부위 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
그리고, 본 발명의 금형의 특히 바람직한 태양에서는, 가스 배출용의 다공형 고화 부분(24b)(도 21 및 도 22 참조)도 히터 요소에 인접하여 형성되어 있고, 이로써, 더욱 효과적으로 용접 부위 발생을 방지할 수 있다.
(얇은 성형부에 근접한 내장 형태)
이러한 형태에서는, 성형품의 두께·두께가 얇아지는 부위에 상당하는 캐비티 영역에 근접하여 히터 요소가 내장되어 있다. 일반적으로 얇은 부위(thin portion)에 상당하는 캐비티 영역은 원료 수지가 흐르기 어려운 곳, 본 발명의 금형에서는 그 영역에 근접하여 히터 요소가 설치되어 있다. 따라서, 이러한 영역을 국소적으로 가열할 수 있고, 그 결과, 원료 수지의 유동성이 향상되어, 얇은 부위라도 바람직하게 원료 수지를 충전할 수 있다. 즉, 이러한 형태의 금형을 사용하면, 원하는 얇은 성형품을 성형할 수 있다.
그리고, 여기서 말하는 "얇은"이란, 0.05mm∼0.5mm 정도의 두께를 실질적으로 의미하고 있다. 즉, 본 발명에서는, 이와 같은 두께를 실현할 수 있으므로, 본 발명의 3차원 형상 조형물을, 예를 들면, 전자 기기용 커넥터 등의 성형용 금형으로서 바람직하게 사용할 수 있다.
이러한 형태에서도, 용접 부위 발생을 더욱 효과적으로 방지하기 위해, 가스 배출용의 다공형 고화 부분(24b)을 히터 요소(70)에 인접하여 설치하는 것이 바람직하다.
(게이트부에 근접한 내장 형태)
이러한 형태에서는, 금형의 게이트부에 근접하여 히터 요소가 내장되어 있다. 게이트부는 일반적으로 협착부(狹窄部)로 되어 있고 원료 수지가 응고하기 쉬운 개소라고 할 수 있는 곳, 본 발명의 금형에서는 그 영역에 근접하여 히터 요소가 설치되어 있다. 따라서, 이러한 영역을 국소적으로 가열할 수 있고, 그 결과, 게이트부에서의 고화가 방지되고, 수지 충전율이 향상되게 된다. 즉, 이러한 형태의 금형을 사용하면, 고밀도인 성형품을 바람직하게 실현할 수 있다.
다음에, 본 발명의 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용한 경우의 사용 태양에 대하여 예시한다. 특히, 도 21 및 도 22에 나타낸 바와 같이, "히터 요소(70)"에 더하여, "가스 배출용의 다공형 고화 부분(24b)" 및 "냉각수용의 파이프형 경로(24d)"를 구비하여 이루어지는 3차원 형상 조형물(금형)을 사용하는 것을 전제로 한다.
본 발명에서 얻어지는 금형을 사용한 수지 성형에 있어서는, "히터 요소에 의한 가열 조작의 온/오프(ON/OFF)의 타이밍", "다공형 고화 부분(24b)을 통한 가스 흡인 또는 가스 분출의 타이밍" 및/또는 "파이프형 경로(24d)를 통한 냉각수 유통의 타이밍"을 제어하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 23에 나타낸 바와 같은 제어를 행하는 것이 바람직하다. 이와 같은 제어를 행하면, 용접 부위 발생 없이 더욱 바람직하게 성형품을 얻을 수 있다. 또한, 형(型) 열기·밀어 내기 시에 다공형 고화 부분(24b)으로부터 가스를 분출하면, 그 부분의 막힘이 방지된다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다양한 개변(改變)이 가능하다는 것을 당업자는 용이하게 이해할 것이다.
그리고, 전술한 바와 같은 본 발명은, 다음의 실시예를 포함하고 있음을 확인적으로 언급해 둔다:
제1 실시예: (i) 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 단계, 및
(ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 추가적인 고화층을 형성하는 단계
를 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
상기 단계 (i)와 상기 단계 (ii)를 반복 실시할 때, 고화층에 히터 요소를 배치하고, 이에 따라, 3차원 형상 조형물의 내부에 상기 히터 요소를 설치하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제2 실시예: 상기 제1 실시예에 있어서, 상기 단계 (i) 및 (ii)에서는, 상기 분말층 및 상기 고화층의 형성을 조형물 지지 부재 상에서 실시하고 있고,
상기 히터 요소로서 코일 히터를 사용하고, 상기 지지 부재에 형성된 개구부를 통하여 상기 코일 히터를 상기 고화층에 배치하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제3 실시예: 상기 제1 실시예 또는 제2 실시예에 있어서, 적층화한 고화층에 형성된 홈부에 상기 히터 요소를 배치하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제4 실시예: 상기 제3 실시예에 있어서, 상기 홈부에 대하여 절삭 가공을 행하고, 그 절삭 가공을 행한 면에 대하여 상기 히터 요소를 배치하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제5 실시예: 상기 제3 실시예 또는 제4 실시예에 있어서, 상기 홈부에 상기 히터 요소를 배치한 후, 그 홈부에 저융점 금속 분말 재료를 충전하는 단계를 포함하여 완성되고,
상기 저융점 금속 분말 재료에 광빔을 조사하고, 이에 따라 얻어지는 고화 부재에 의해 상기 홈부를 메우는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제6 실시예: 상기 제5 실시예에 있어서, 상기 저융점 금속 분말 재료에 대한 광빔 조사를, 상기 분말층에의 광빔 조사보다 낮은 에너지로 행하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제7 실시예: 상기 제6 실시예에 있어서, 상기 저융점 금속 분말 재료에 대한 광빔 조사에 대하여, 히터 요소로부터 멀어짐에 따라 조사 에너지를 서서히 증대시키는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제8 실시예: 상기 제5 실시예∼제7 실시예 중 어느 하나에 있어서, 상기 고화 부재를 형성한 후, 평면 형성을 위한 절삭 가공을 상기 고화 부재 및/또는 상기 고화층에 대하여 행하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제9 실시예: 상기 제1 실시예∼제8 실시예 중 어느 하나의 제조 방법으로 얻어지는 3차원 형상 조형물로서,
금형으로 사용할 수 있도록 히터 요소가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물.
제10 실시예: 상기 제9 실시예에 있어서, 상기 금형의 캐비티부로 도입되는 원료 수지가 최종적으로 도달하게 되는 캐비티 영역에 근접하여 상기 히터 요소가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물.
제11 실시예: 상기 제9 실시예에 있어서, 상기 금형에 있어서 얇은 성형부가 형성되는 캐비티 영역에 근접하여 상기 히터 요소가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물.
제12 실시예: 상기 제9 실시예∼제11 실시예 중 어느 하나에 있어서, 상기 금형의 게이트부에 근접하여 상기 히터 요소가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물.
산업상의 이용 가능성
본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 3차원 형상 조형물은 공업상의 각종 물품으로서 사용할 수 있다. 예를 들면, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 플라스틱 사출 성형용 금형, 프레스 금형, 다이캐스팅(die casting) 금형, 주조 금형, 단조 금형 등의 금형으로 사용할 수 있다.
관련 출원의 상호 참조
본 출원은, 일본 특허출원 제2010-132209호(출원일: 2010년 6월 9일, 발명의 명칭: " 3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 이로부터 얻어지는 3차원 형상 조형물")에 기초한 파리 조약상의 우선권을 주장한다. 이 출원에 개시된 내용은 모두, 이 인용에 의해, 본 명세서에 포함되는 것으로 한다.
1: 광 조형 복합 가공기
2: 분말층 형성 수단
3: 광빔 조사 수단
4: 절삭 수단
8: 흄
19: 분말/분말층(예를 들면, 금속 분말/금속 분말층)
19': 저융점 금속 분말/저융점 금속 분말층
20: 조형 테이블
21: 조형물 지지 부재
22: 분말층(예를 들면, 금속 분말층 또는 수지 분말층)
22': 잔존한 금속 분말
23: 스퀴징(squeezing)용 블레이드
24: 고화층(예를 들면, 소결층) 또는 이로부터 얻어지는 조형물
24b: 다공형 소결부
24c: 보강용의 빔 부재
24d: 파이프형의 경로
24d': 파이프형의 경로
24A: 고화층의 상면
25: 분말 테이블
26: 분말 재료 탱크의 벽 부분
27: 조형 탱크의 벽 부분
28: 분말 재료 탱크
29: 조형 탱크
30: 광빔 발진기
31: 갈바노미러
40: 밀링 헤드
41: XY 구동 기구
50: 챔버
52: 광투과 창 또는 렌즈
60: 흡인기
70: 히터 요소(예를 들면, 코일 히터)
70a: 코일 히터의 발열부
70b: 코일 히터의 구동부
80: 고화층에 형성한 홈부
80A: 고화부의 상면
80a: 홈부를 매립되어 있는 고화부
80b: 다공형 고화부
80c: 저융점 금속 분말 재료로 형성한 고화부
90a, 90b: 조형물 지지 부재의 개구부, 고화층의 개구부
L: 광빔

Claims (12)

  1. (i) 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 단계, 및
    (ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 추가적인 고화층을 형성하는 단계
    를 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
    상기 단계 (i)와 상기 단계 (ii)를 반복 실시할 때, 고화층에 히터 요소를 배치하고, 이에 따라, 3차원 형상 조형물의 내부에 상기 히터 요소를 설치하고, 또한
    상기 단계 (i) 및 (ii)에서는, 상기 분말층 및 상기 고화층의 형성을 조형물 지지 부재 상에서 실시하고, 상기 히터 요소로서 코일 히터를 사용하고, 상기 지지 부재에 형성된 개구부를 통하여 상기 코일 히터를 상기 고화층에 배치하고,
    적층화한 고화층에 형성된 홈부에 상기 히터 요소를 배치하며,
    상기 홈부에 상기 히터 요소를 배치한 후, 상기 홈부에 저융점 금속 분말 재료를 충전하며,
    상기 저융점 금속 분말 재료에 광빔을 조사하고, 이에 따라 얻어지는 고화 부재에 의해 상기 홈부를 메우는,
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홈부에 대하여 절삭 가공을 행하고, 상기 절삭 가공을 행한 면에 대하여 상기 히터 요소를 배치하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 저융점 금속 분말 재료에 대한 광빔 조사를, 상기 분말층에의 광빔 조사보다 낮은 에너지로 행하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 저융점 금속 분말 재료에 대한 광빔 조사에 대하여, 히터 요소로부터 멀어짐에 따라 조사 에너지를 서서히 증대시키는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  7. 제1항, 제3항, 제5항, 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고화 부재를 형성한 후, 평면 형성을 위한 절삭 가공을 상기 고화 부재 및/또는 상기 고화층에 대하여 행하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  8. 제1항, 제3항, 제5항, 제6항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법으로 얻어지는 3차원 형상 조형물로서,
    금형으로 사용할 수 있도록 히터 요소가 내장되어 있는, 3차원 형상 조형물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금형의 캐비티부로 도입되는 원료 수지가 최종적으로 도달하게 되는 캐비티 영역에 근접하여 상기 히터 요소가 내장되어 있는, 3차원 형상 조형물.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 금형에 있어서 얇은 성형부가 형성되는 캐비티 영역에 근접하여 상기 히터 요소가 설치되어 있는, 3차원 형상 조형물.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 금형의 게이트부에 근접하여 상기 히터 요소가 설치되어 있는, 3차원 형상 조형물.
  12. 삭제
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