KR101521482B1 - 3차원 형상 조형물의 제조 방법, 이에 따라 얻어지는 3차원 형상 조형물 및 성형품의 제조 방법 - Google Patents

3차원 형상 조형물의 제조 방법, 이에 따라 얻어지는 3차원 형상 조형물 및 성형품의 제조 방법 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, 3차원 형상 조형물의 표면 영역의 일부를 저밀도 고화 영역으로서 형성하고, 상기 저밀도 고화 영역을 통과하는 가스에 의해 가압이 행할 수 있도록 상기 저밀도 고화 영역의 고화 밀도를 50%∼90%로 하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.

Description

3차원 형상 조형물의 제조 방법, 이에 따라 얻어지는 3차원 형상 조형물 및 성형품의 제조 방법 {METHOD FOR PRODUCING THREE-DIMENSIONALLY SHAPED STRUCTURE, THREE-DIMENSIONALLY SHAPED STRUCTURE OBTAINED BY SAME, AND METHOD FOR PRODUCING MOLDED ARTICLE}
본 발명은 3차원 형상 조형물의 제조 방법, 3차원 형상 조형물 및 성형품의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 분말층의 소정 개소(箇所)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. 또한, 본 발명은 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용한 성형품의 제조 방법에 관한 것이다.
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 조형 플레이트(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 있는 것이지만, 금형을 사용한 수지 성형에 있어서는, "싱크 마크(sink mark)"라는 현상이 발생할 수 있다. 즉, 수지 성형품의 두꺼운 부분 또는 리브 등에 상당하는 부분이 도 14에 나타낸 바와 같이 오목하게 되는 경우가 있어, 성형 불량을 일으킨다. 이와 같은 "싱크 마크"에 대해서는, 특정한 이론에 구속되는 것은 아니지만, 수지 성형 시의 응력에 기인하는 것으로 생각된다. 구체적으로는, 용융 상태로 사출된 수지는 금형 내에서 냉각되게 되지만, 그 냉각 시에 수지가 표면 영역부터 고화되어 가게 되고, 시간의 경과와 함께 서서히 수지 내부도 고화되어 간다. 수지 고화에서는 체적 수축을 수반하게 되지만, 수지 표면은 이미 고화되어 있으므로, 수지 내부에 인장 응력이 발생하고, 그 인장 응력에 표면부의 강도가 굴복하면 움푹 들어가게 된다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 과제는, 금형으로 사용할 수 있는 3차원 형상 조형물로서, 싱크 마크 발생을 바람직하게 방지할 수 있는 3차원 형상 조형물을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는,
(i) 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화 시켜 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,
3차원 형상 조형물의 표면 영역의 일부를 저밀도 고화 영역으로서 형성하고,
저밀도 고화 영역을 통과하는 가스에 의해 가압이 행할 수 있도록 저밀도 고화 영역의 고화 밀도를 50%∼90%로 하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제조 방법의 특징 중 하나는, 3차원 형상 조형물의 용도를 특히 고려한 저밀도 고화 영역을 3차원 형상 조형물에 형성하는 것이다. 구체적으로는, 본 발명에서는, 저밀도 고화 영역을 통과하는 가스에 의해 가압을 행할 수 있도록 3차원 형상 조형물의 표면 영역의 일부에 고화 밀도 50%∼90%의 저밀도 고화 영역을 형성한다.
본 명세서에 말하는 "저밀도 고화 영역"이란, 고화 밀도가 비교적 낮은 다공(porous)형의 조형물 영역(예를 들면, 다공형의 소결 영역)을 실질적으로 의미하고 있다. 보다 구체적으로 "저밀도"란, 조형물 본체(body)의 고화 밀도(95∼100% 정도의 고화 밀도)보다 낮은 고화 밀도를 가리키고 있다. 특히 본 발명에서의 "저밀도 고화 영역"은, 그 밀도에 기인하여 가스를 통과시킬 수 있을 뿐 아니라, 그와 같은 가스 통과 내지는 가스 가압에 있어 바람직한 형태도 구비하고 있다.
또한, 본 명세서에 말하는 "통과하는 가스에 의해 가압을 행한다"란, 저밀도 고화 영역을 통과한 가스의 압력으로써 가압 조작을 행하는 태양(態樣)을 실질적으로 의미하고 있다. 즉, 본 발명에서는, 저밀도 고화 영역의 한쪽 면에 공급된 가스가 저밀도 고화 영역을 통과하여 다른 쪽 면으로부터 나가게 되지만, 그 나가는 가스의 압력에 의해 가압을 행하는 것을 의도하고 있다.
그리고, 확인을 위해 언급해 두면, 본 명세서에 있어서 "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, 분말층이 금속 분말층이 되는 경우, "고화층"은 "소결층"에 상당하고, "고화 밀도"는 "소결 밀도"에 상당할 수 있다.
본 발명의 제조 방법에서는, 얻어진 조형물에 있어서 가스가 보다 효과적으로 통과하여 가압을 행할 수 있도록, 표면 영역에 설치하는 저밀도 고화 영역의 두께를 얇게 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 저밀도 고화 영역의 두께를 0.5mm∼10mm 정도로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 가스 통과 시의 유체 저항을 낮출 수 있다. 즉, 통과 시의 압력 손실을 감소시킬 수 있어, 가스 공급압이 필요 이상으로 저하되는 것을 방지할 수 있다. 필요에 따라, 저밀도 고화 영역의 두께를 국소적으로 바꾸어도 된다. 즉, 두께가 보다 얇은 부분과 그렇지 않은 부분으로 나누어 저밀도 고화 영역을 형성해도 된다.
바람직한 일 실시예에서는, 저밀도 고화 영역과 연결되어 통하는(연통하는) 중공 영역을 3차원 형상 조형물에 형성한다. 이 중공 영역은 조형물의 외부와 연결되는 형태를 가진다. 예를 들면, 저밀도 고화 영역의 배면 측에 "조형물의 외부와 연결된 공동부"를 형성한다. 이로써, 얻어진 조형물에 있어서, 그 공동부를 가스 공급로로서 이용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 저밀도 고화 영역에 대하여 가스 공급을 행할 수 있다. 중공 영역을 설치하는 경우, 얇게 형성되는 저밀도 고화 영역을 지지하는 부재를 부가적으로 형성해도 된다. 예를 들면, 중공 영역의 일부에 저밀도 고화 영역과 연결되어 이루어지는 고화부를 형성해도 된다.
조형물의 표면 영역에 형성하는 저밀도 고화 영역은 1개로 한정되지 않고, 2개 이상의 저밀도 고화 영역을 형성해도 된다. 이러한 경우, 각각의 저밀도 고화 영역마다, 고화 밀도 및/또는 두께를 변화시켜도 된다. 이렇게 하면, 얻어진 조형물에 있어서, 가스 통과 시의 유체 저항이 각 저밀도 고화 영역에서 변화되어, 각각의 저밀도 고화 영역으로부터 상이한 가스 압력을 제공할 수 있다.
본 발명에서는, 전술한 제조 방법으로 얻어지는 3차원 형상 조형물도 제공된다. 이러한 본 발명의 3차원 형상 조형물은, 금형으로서 바람직하게 사용할 수 있는 형태를 가진다. 즉, 본 발명에서는, 금형 캐비티(cavity) 면 중 적어도 일부에 고화 밀도 50%∼90%의 저밀도 고화 영역이 형성되어 있다. 이와 같은 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용하면, 저밀도 고화 영역을 통과하는 가스에 의해 금형 캐비티 내의 수지 원료 내지는 성형품을 바깥쪽에서 가압할 수 있다.
본 발명의 3차원 형상 조형물에서는, 저밀도 고화 영역이 조형물의 표면 영역과 동일 평면에 설치되어 있지만, 이러한 저밀도 고화 영역의 두께는, 예를 들면, 0.5mm∼10mm 정도로 되어 있다. 바람직한 일 실시예에서는, 저밀도 고화 영역의 두께는 국소적으로 상이하다(예를 들면, 대략 일정한 간격으로 있는 국소적 지점(point)만 "얇게" 되어 있다). 또한, 바람직한 일 실시예에서는, 저밀도 고화 영역의 배면 측에 그 저밀도 고화 영역과 연통하는 중공 영역(즉, 공동부)이 설치되어 있다. 이러한 중공 영역은 조형물 외부에 연결되어 있고, 때문에, 가스를 외부에서 저밀도 고화 영역으로 공급하기 위한 유로로서 바람직하게 기능할 수 있다. 중공 영역에서는, 저밀도 고화 영역을 지지하기 위한 부재가 설치되어 있어도 된다. 바람직한 다른 실시예에서는, 저밀도 고화 영역이 복수 설치되어 있다. 바람직하게는, 복수의 각각의 저밀도 고화 영역마다, 고화 밀도 및/또는 두께가 상이하다.
본 발명에서는, 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용한 경우의 성형품의 제조 방법도 제공된다. 이러한 성형품의 제조 방법은,
(i) 금형 캐비티부를 수지 원료로 채우는 단계, 및
(ii) 금형 캐비티부에서 수지 원료를 성형하는 단계
를 포함하여 이루어지고,
상기 성형 시에는, 저밀도 고화 영역을 통하여 가스를 제공함으로써, 금형 캐비티부의 바깥쪽에서 수지 원료 또는 성형품에 대하여 압력을 가하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 성형품의 제조 방법에서는, 금형의 저밀도 고화 영역을 통하여 외부로부터 가압을 행할 수 있으므로, 금형 캐비티부의 수지 원료 내지는 성형품의 "싱크 마크"를 효과적으로 방지할 수 있다. 바람직한 일 실시예에서는, 사출·보압 단계와 이형(離型) 단계 각각에서 공급에 의한 가압을 행한다. 이 경우, "사출·보압 단계"와 "이형 단계"는 각각 상이한 가스압으로 가압을 행해도 된다. 또한, 바람직한 다른 실시예에서는, 저밀도 고화 영역을 통과하는 가스의 온도를 조정함으로써, 금형 캐비티부의 수지 원료 내지는 성형품의 온도 조정을 행한다. 그리고, "2개 이상의 저밀도 고화 영역이 형성되어 있는 금형"을 사용하는 경우에는, 각각의 저밀도 고화 영역마다 가압을 행할 수 있으므로, 원하는 성형품를 더욱 바람직하게 얻을 수 있다.
본 발명의 제조 방법에서는, 조형물 표면에 가스 통과를 가능하게 하는 다공형의 저밀도 고화 영역을 형성한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 저밀도 고화 영역에 의해 가스 통과를 통한 가압 조작을 행할 수 있고, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 금형으로서 바람직하게 사용할 수 있다. 특히, 분말 소결 적층법을 실시할 때 저밀도 고화 영역을 형성하므로, 최종적인 용도를 고려한 다음에 조형물의 임의의 영역에 저밀도 고화 영역을 형성할 수 있다.
구체적으로는, 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용하는 것을 상정한 경우, "싱크 마크"가 발생할 수 있는 부분에 인접하도록 저밀도 고화 영역을 형성할 수 있으므로, 수지 성형 시의 싱크 마크 발생을 효과적으로 방지할 수 있다(즉, 저밀도 고화 영역을 통하여 외부로부터 가스를 캐비티 내로 공급할 수 있으므로, "싱크 마크 부분"내지는 "싱크 마크가 발생할 수 있는 부분"이 가스에 의해 바깥쪽으로부터 가압된다. 이와 관련하여, 종전의 금형에서는, 도 15에 나타낸 바와 같이 금형에 접속된 연결관(300)으로부터 공급하는 가스에 의해 가압을 행하게 되는데, 어디까지나, "관"을 사용하고 있기 때문에, 국소적인 가압밖에 행할 수 없고, 또한 제조하는 성형품의 형상 등에 따라서는 연결관을 설치할 수 없는 개소 등이 있어, 제약이 비교적 컸다. 종전의 금형에 있어서 "관(관 직경)"을 크게 하면, 성형 시에 수지 원료가 관에 흘러들 우려가 있어, 원하는 성형을 행할 수 없을 가능성이 있다. 이와 같은 종전 태양에 대하여 본 발명에서는, 조형물 표면의 임의의 개소에 저밀도 고화 영역을 형성할 수 있고, 또한 그 저밀도 고화 영역의 사이즈를 임의의 크기로 할 수 있다(즉, 비교적 큰 가압면을 형성할 수 있다). 특히 "싱크 마크 부분" 내지는 "싱크 마크가 발생할 수 있는 부분"이 비교적 큰 경우에도, 큰 가스 공급압 면에 의해 이들 발생을 방지할 수 있는 금형을 실현할 수 있다. 다시 말해면, 종전의 태양이 "점 가압"인데 대하여 본 발명에서는"면 가압"이 되어 있다.
이와 같이, 본 발명에서의 저밀도 고화 영역은 비교적 큰 사이즈로 실현할 수 있으므로, "저밀도 고화 영역을 통과하는 가스"와 "캐비티 내의 수지 원료 내지는 성형품"과의 접촉 면적도 비교적 크게 할 수 있다. 따라서, 저밀도 고화 영역에 공급하는 가스의 온도를 조정함으로써, 캐비티 내의 수지 원료·성형품의 온도 조정을 효과적으로 행할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 "가압"에 의해 수지 성형 시의 싱크 마크 발생을 방지할 수 있을 뿐 아니라, "가온(加溫)"에 의해 용접 부위(weld) 발생도 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 저밀도 고화 영역의 고화 밀도나 두께 등을 조정함으로써, 가스 통과 시의 유체 저항을 변화시킬 수 있으므로, 이에 따라, 가압 시의 압력을 조정할 수 있다. 즉, 크게 가압하고 싶은 성형품 부분(예를 들면, 후육부(厚肉部, thick portion)에 대하여 고화 밀도를 줄이는 한편, 그다지 가압하고 싶지 않은 성형품 부분(예를 들면, 강도가 약한 박육부(薄肉部, thin portion))에 대해서는 고화 밀도를 증대시키면 되어, 수지 성형의 설계 자유도가 커진다.
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 개념을 모식적으로 나타낸 도면이다(도 7의 (a): 조형물(100)의 표면 영역의 일부에 다공형의 저밀도 고화 영역(24b)이 형성된 태양, 도 7의 (b): 저밀도 고화 영역(24b)의 배면 측에 중공 영역(60)이 형성된 태양).
도 8은 본 발명의 실시형태를 모식적으로 나타낸 도면이다(도 8의 (a): "성형품의 후육부"와 접하게 되는 조형물 표면에 저밀도 고화 영역(24b)이 설치된 태양, 도 8의 (b): "성형품의 리브"와 접하게 되는 조형물 표면에 저밀도 고화 영역(24b)이 설치된 태양).
도 9는 저밀도 고화 영역의 두께가 국소적으로 변화된 태양을 모식적으로 나타낸 도면이다(도 9의 (a): 전체도, 도 9의 (b): 저밀도 고화 영역의 확대도).
도 10은 지지용 고화부(24c)가 설치된 태양을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 금형으로 사용되는 본 발명의 3차원 형상 조형물의 태양을 모식적으로 나타낸 사시도이다(도 11의 (a): 성형품 리브가 형성되는 부분(120)을 포함하는 일정한 영역에 저밀도 소결 영역(24b)이 형성되어 있는 태양, 도 11의 (b): 성형품 리브가 형성되는 부분(120)을 에워싸는 듯한 영역에 복수의 저밀도 소결 영역(24b1∼24b4가 형성되어 있는 태양).
도 12는 도 11에 나타낸 금형(100)으로부터 얻어지는 성형품(200)의 태양을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 13은 본 발명의 금형을 사용한 수지 성형의 조작 태양을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 "싱크 마크"가 발생한 태양을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 15는 종래 기술의 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. 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 설명한다. 그러나, 본 발명은 절삭 기구를 구비하지 않은 도 2의 (b)에 나타낸 태양이라도 실 실현 가능하다는 것을 부언해 둔다). 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 조형 플레이트(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, "조형 플레이트(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 조형 플레이트(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 조형 플레이트(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 고화층의 형성 태양에 특징이 있다. 구체적으로는, 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 조형물(100)의 표면 영역의 일부에 다공형의 저밀도 고화 영역(24b)을 형성한다. 특히 본 발명에서는 저밀도 고화 영역(24b)을 통과하는 가스에 의해 가압을 행할 수 있도록, 저밀도 고화 영역의 고화 밀도가 50%∼90%로 되어 있고, 바람직하게는 60%∼85%로 되어 있다. 더욱 효율적인 가스 공급을 위해 "가스를 저밀도 고화 영역으로 인도하기 위한 유로"를 설치하여 두어도 된다. 특히, 저밀도 고화 영역과 연통하도록 중공 영역(공동부)을 형성해도 된다. 예를 들면, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 저밀도 고화 영역(24b)의 배면 측에 중공 영역(60)을 형성하고, 이러한 중공 영역(60)을 조형물 외부와 연통하도록 형성한다. 이로써, 중공 영역(60)을 가스 공급로로 사용할 수 있고, 외부로부터 중공 영역(60)에 대하여 가스 공급을 행함으로써, 저밀도 고화 영역(24b)으로 가스를 보낼 수 있어, 저밀도 고화 영역(24b)을 통한 가스 가압을 용이하게 행할 수 있다.
도면을 참조하여 본 발명의 제조 방법을 더 설명한다. 또한, 본 발명에서 사용하는 금속 분말은, 철계 분말을 주성분으로 한 분말로서, 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 분말로서는, 이와 같은 철계 분말로 한정되지 않고, 구리계 분말이나 알루미늄 분말도 가능하다. 또한, 예를 들면, 금형 이외의 용도로 가압 부품으로서 적용하는 용도이면, 플라스틱 분말이나 세라믹 분말도 가능하다는 것을 부언해 둔다.
본 발명의 제조 방법에서는, 소정의 두께의 금속 분말층(22)을 조형 플레이트(21) 상에 형성한 후, 광빔을 금속 분말층(22)의 소정 개소에 조사하여, 그 조사된 금속 분말층의 부분으로부터 소결층을 형성하는(도 1의 (a) 및 (b) 참조) 조작을 반복하여 행하지만, 그 반복 실시 시에, 조사하는 광빔의 에너지 등을 조정함으로써 다공형의 저밀도 소결 영역(24b)을 형성한다. 구체적으로는, 금속 분말층(22)에서 저밀도 소결 영역(즉, "저밀도 고화 영역")에 상당하는 분말 영역에 조사하는 광빔의 출력 에너지를 낮춘다. 이로써, 소결을 불충분하게 하여, 소결 밀도(즉, "고화 밀도")가 50%∼90% 정도의 저밀도인 고화 영역을 형성할 수 있다. 또한, 저밀도 영역 이외의 소결층(24)의 소결 밀도는 90(90을 제외)∼100% 정도다. 이와 같이 소결 밀도가 낮은 다공형의 소결 영역을 형성하면, 전술한 바와 같이, 가스를 통과시킬 수 있으므로, 얻어지는 조형물에 있어서 가스 통과를 통한 가압 조작을 행할 수 있다. (a) 광빔의 출력 에너지를 낮추는 외에, (b) 광빔의 주사 속도를 올리고, (c) 광빔의 주사 피치를 넓히고, (d) 광빔의 집광 직경을 증대시킴으로써도, 소결층 형성 시보다 낮은 에너지의 광빔으로써 저밀도 소결 영역(24b)을 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 정도인 광빔으로써도 소결층(24)(소결 밀도 90∼100%)를 형성하는 것에 대하여, 소결 밀도가 50%∼90%인 저밀도 소결 영역(24b)에 대해서는 조사 에너지 밀도(E)가 약 1∼4J/mm2인 광빔에 의해 형성한다. 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).
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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저밀도 소결 영역은 조형물의 표면 영역에 형성되지만, 본 발명에서는 "싱크 마크"가 발생하기 쉬운 캐비티 형성면에 설치하는 것이 특히 바람직하다. 즉, 3차원 형상 조형물을 수지 성형용의 금형으로 사용한 경우에 "성형품의 후육부"와 접하게 되는 캐비티 형성면(도 8의 (a) 참조)이나, "성형품의 리브"와 접하게 되는 캐비티 형성면(도 8의 (b) 참조) 등에 저밀도 소결 영역(24b)을 형성하는 것이 바람직하다. 이로써, 사출 성형 후에 저밀도 소결 영역(24b)으로부터 수지 원료/성형품을 향해 가스압을 가할 수 있고, 그 결과, "싱크 마크"를 효과적으로 방지할 수 있다. 도시한 태양으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서는 필요한 부분에 대하여 비교적 넓은 면으로 가압할 수 있으므로, 더욱 고정밀도의 성형이 가능해진다. 즉, 본 발명에서는, "점 가압"이 아니라 "면 가압"을 실현할 수 있다. 어디까지나 일례이지만, 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용하는 경우, 캐비티 형성면의 10%∼100%를 저밀도 소결 영역으로 할 수 있고, 바람직하게는 캐비티 형성면의 20%∼70%를 저밀도 소결 영역으로 할 수 있다.
"저밀도 고화 영역과 연통하는 중공 영역(공동부)"의 형성에 대하여 설명한다. "저밀도 고화 영역과 연통하는 중공 영역"도, 저밀도 고화 영역과 마찬가지로, 상기 광빔을 조사할 때 형성할 수 있다. 구체적으로는, 소결층(24)을 형성할 때 광빔을 조사하는 개소와 그렇지 않은 개소로 나눔으로써 형성할 수 있다. 즉, 금속 분말층(22)에 있어서 중공 영역(60)에 상당하는 분말 영역에는 광빔을 조사 하지 않고 분말 상태인 채로 두고, 마지막으로 그 영역 부분의 분말을 제거하면 중공 영역(60)을 얻을 수 있게 된다. 그리고, 미소결의 분말이 중공 영역(60)을 이루는 벽면 등에 부착되어 있는 경우에는, 절삭 가공을 행하여 미소결의 분말을 제거해도 된다. 사용하는 절삭 가공 수단은, 표면 절삭을 행할 수 있는 것이면 어떤 것이라도 된다. 예를 들면, 전술한 광 조형 복합 가공기의 절삭 가공 수단을 사용할 수 있다(도 2의 (a) 참조). 어디까지나 일례이지만, 이러한 절삭 가공 수단은, 범용의 수치 제어(NC: Numerical Control) 공작 기계 또는 거기에 준하는 것일 수 있다. 엔드밀 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), 라디우스 엔드밀(radius end mill), 드릴 등을 사용해도 된다.
"가스 통과에 의한 가압"이 바람직한 것이 되도록, 저밀도 소결 영역은 비교적 얇은 것이 바람직하다. 즉, 필요한 강도를 유지하면서도 가스가 저밀도 소결 영역을 통과할 때의 압력 손실이 가능한 한 작아지도록, 저밀도 소결 영역의 두께를 줄이는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같은 저밀도 소결 영역(24b)의 두께(t)는, 바람직하게는 0.5mm∼10mm, 더욱 바람직하게는 1mm∼5mm 정도로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 저밀도 소결 영역의 두께에 대해 말하면, 저밀도 고화 영역의 두께를 국소적·부분적으로 변화시켜도 된다. 예를 들면, 도 9의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 저밀도 고화 영역(24b)의 두께가 일정한 간격마다 줄어든 형태라도 된다. 도 9의 (b)에 나타낸 태양에서 설명하면, "A점"에서의 두께가 줄어들어 있으므로, 가스 통과 시의 유체 저항이 저하되어 수지 원료·성형품에의 가스압 공급을 용이하게 하면서, 두께가 비교적 큰 "B점"에서 저밀도 소결 영역의 필요한 강도를 유지할 수 있다. 그리고, 도 9의 (b)에 나타낸 태양에서는, 두께가 일정한 간격마다 줄어들어 있으므로, 저밀도 고화 영역을 통한 가스 공급의 "불균일"을 억제할 수 있고, 균일한 가압을 실현할 수 있다. 그리고, 어디까지나 일례이지만, 도 9의 (b)에 나타낸 두께 t1은 1∼10mm 정도이며, t2가 0.5∼5mm 정도, 그리고, 피치 P가 1∼10mm 정도라도 된다.
저밀도 소결 영역이 얇으면 저밀도 소결 영역의 강도가 저하할 수 있으므로, 그것을 보충하기 위해 저밀도 소결 영역을 지지하는 부재(즉, "보강용의 빔")를 설치해도 된다. 구체적으로는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 중공 영역(60)의 일부에 저밀도 소결 영역(24b)과 연결하여 그것을 지지하는 소결부(24c)(즉, "고화부")를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 도시한 바와 같이, 일정한 간격마다 복수의 소결부(24c)(즉, "국소적인 고화부")를 설치하는 것이 바람직하다. 이로써, 저밀도 소결 영역(24b)을 균일하게 지지하면서, 가스 공급로를 확실하게 확보할 수 있다. 이러한 소결부(24c)의 형성도, 상기 광빔을 조사할 때 형성할 수 있다. 구체적으로는, 소결층(24)을 형성할 때 광빔을 조사하는 개소와 그렇지 않은 개소를 나눔으로써 형성할 수 있다. 즉, 금속 분말층(22)에 있어서 중공 영역(60)에 상당하는 분말 영역에는 광빔을 조사하지 않고 분말 상태인 채로 두는 한편, 소결부(24c)에 상당하는 영역에는 광빔을 조사한다(소결층(24)의 형성과 마찬가지로 광빔을 조사한다). 마지막으로 비조사 부분의 분말을 제거하면 "중공 영역(60)의 일부에 배치된 소결부(24c)"를 얻을 수 있다. 그리고, 미소결의 분말이 소결부(24c)에 부착되어 있는 경우, 필요에 따라 절삭 가공을 행하여 미소결의 분말을 제거해도 된다. 사용하는 절삭 가공 수단은, 표면 절삭을 행할 수 있는 것이면 어떤 것이라도 된다. 예를 들면, 전술한 광 조형 복합 가공기의 절삭 가공 수단을 사용할 수 있다.
조형물의 표면 영역에 형성하는 저밀도 소결 영역은 1개로 한정되지 않고, 2개 이상의 저밀도 소결 영역을 형성해도 된다. 이러한 경우, 각각의 저밀도 소결 영역마다, 소결 밀도 및/또는 두께를 변화시켜도 된다. 이렇게 하면, 각 저밀도 소결 영역마다 가스 통과 시의 유체 저항을 변화시킬 수 있어, 각 저밀도 소결 영역마다 상이한 압력의 가압을 행할 수 있다. 예를 들면, 크게 가압하고 싶은 성형품 부분(예를 들면, 후육부)에 대해서는 소결 밀도를 줄이는 한편, 그다지 가압하고 싶지 않은 성형품 부분(예를 들면, 강도가 약한 박육부)에 대해서는 소결 밀도를 증대시키면 되고, 이로써, 원하는 수지 성형품을 양호한 정밀도로 얻을 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 있는 것으로서, 금형의 캐비티를 형성하는 면 중 적어도 일부에 소결 밀도 50%∼90%(바람직하게는 소결 밀도 60%∼85%)의 저밀도 소결 영역이 형성되어 있다. 따라서, 본 발명의 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용한 수지 성형 시에는, 저밀도 소결 영역을 통과하는 가스에 의해 성형 원료 또는 성형품을 외측으로부터 가압할 수 있다. 상기한 [본 발명의 제조 방법]에서 설명한 것이지만, 본 발명의 3차원 형상 조형물의 바람직한 형태로서는, 예를 들면, 이하의 것을 들 수 있다:
- 저밀도 소결 영역의 배면 측에 그 저밀도 소결 영역과 연통하는 중공 영역이 형성되어 있는 형태. 특히 이러한 중공 영역은 조형물 외부와 연통되어 있다(도 8 참조)
- 중공 영역에 저밀도 소결 영역(24b)을 지지하기 위한 지지 소결부(24c)가 설치되어 있는 형태(도 10 참조)
- 저밀도 소결 영역의 두께가 국소적으로 상이한 형태(도 9 참조).
- 2개 이상의 저밀도 소결 영역이 형성되어 있는 형태(예를 들면, 각각의 저밀도 소결 영역마다 소결 밀도 및/또는 두께가 상이한 형태)
본 발명의 3차원 형상 조형물의 더욱 구체적인 형태에 대해서는, 최종 용도에 의존할 수 있다. 즉, 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용하는 경우, 얻어지는 성형품의 형상으로 의존한다. 어느 일례를 들면, 도 11의 (a) 및 도 11의 (b)에 나타낸 바와 같은 3차원 형상 조형물(100)을 생각할 수 있다. 이러한 경우, 도 12에 나타낸 바와 같은 성형품(200)을 얻을 수 있다. 도 11의 (a)에 나타낸 3차원 형상 조형물(100)의 경우에는, 캐비티 형성면 중, "성형품 리브가 형성되는 부분(120)"을 포함하는 일정한 영역에 저밀도 소결 영역(24b)이 형성되어 있다. 도시한 태양로부터 알 수 있는 바와 같이, 저밀도 소결 영역(24b)이 넓게 "면 형태"로 형성되어 있다. 한편, 도 11의 (b)에 나타낸 3차원 형상 조형물(100)은, "성형품 리브가 형성되는 부분(120)"을 에워싸는 듯한 영역에 복수의 저밀도 소결 영역(24b1∼24b4)이 형성되어 있다. 이러한 형태라도, 저밀도 소결 영역(24b1∼24b4) 각각은 "면 형태"로 형성되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[본 발명의 성형품의 제조 방법]
본 발명의 성형품의 제조 방법을 설명한다. 본 발명의 성형품의 제조 방법은, 상기 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용한 경우의 성형품의 제조 방법에 상당한다. 이러한 성형품의 제조 방법은, (i) 금형 캐비티를 수지 원료로 채우는 단계, 및 (ii) 금형 캐비티 내에서 수지 원료를 성형하여 성형품을 얻는 단계를 포함하여 이루어진다. 특히 본 발명의 성형품의 제조 방법에서는, 금형의 저밀도 소결 영역을 통하여 가스를 캐비티 내로 공급함으로써, 바깥쪽에서 수지 원료 또는 성형품에 압력을 가하고, 이에 따라 "싱크 마크 발생"을 방지 내지는 감소시킨다.
저밀도 고화 영역에 공급하는 가스로서는, 특히 제한은 없다. 예를 들면, 공기, 질소 및 아르곤 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종류의 가스를 사용하여 이루어진다. 저밀도 소결 영역에 공급하는 가스 압력은, 저밀도 소결 영역의 두께나 그 소결 밀도 등에 의해 최적값은 변화하지만, 대략 1MPa∼30MPa의 범위이다. 가스 압력이 너무 낮으면 제공된 가스가 저밀도 소결 영역을 통과할 수 없거나, 통과했다고 해도 원하는 압력을 수지 원료 또는 성형품에 가할 수 없게 된다. 한편, 가스 압력이 너무 높으면, 수지 원료 또는 성형품에 가해지는 압력이 필요 이상으로 커져, 얻어지는 성형품의 외관 형상에 영향을 미칠 우려가 있다. 그리고, "수지 원료 또는 성형품에 가해지는 압력"은, 가스 압력 및 저밀도 소결 영역에서의 압력 손실(통기 저항) 등에 의존할 수 있다. 즉, 저밀도 소결 영역에서 생기는 압력 손실을 미리 조사하여 두고, 그것을 가스 흐름의 압력에서 빼서, "수지 원료 또는 성형품에 가해지는 압력"을 대략 파악할 수 있다. 다시 말해, 가스 흐름의 압력을 조정함으로써, 또는 저밀도 소결 영역의 두께나 그 소결 밀도 등을 변화시킴으로써, 싱크 마크 방지에 최적인 압력을 제어할 수 있다.
본 발명의 성형품의 제조 방법 태양에 대해서는, 그 외에도 다양한 태양을 생각할 수 있다. 이하 그에 대하여 설명한다.
(성형품 온도 조절의 태양)
이러한 태양에서는, 저밀도 소결 영역에 제공하는 가스의 온도를 조정함으로써, 금형 캐비티 내의 수지 원료 내지는 성형품의 온도 조정을 행한다. 즉, 저밀도 고화 영역을 통과하게 되는 가스의 온도를 조정함으로써, 금형 캐비티 내의 온도를 제어한다.
이와 같은 성형품의 온도 조정에서는, "용접 부위"의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. 즉, "용접 부위"가 발생할 수 있는 영역의 근방에 저밀도 소결 영역을 형성하면, 수지 성형시의 용접 부위 발생을 "저밀도 소결 영역으로부터의 가스의 온도"에 의해 효과적으로 억제할 수 있다. 즉, "용접 부위"는 냉각 과정에 있는 2개의 수지 흐름의 합류 지점에서 발생할 수 있는 데, 그와 같은 지점에 대하여 국소적으로 가온 처리가 행해지도록, 저밀도 소결 영역을 통하여 고온 가스를 제공한다.
특히, 싱크 마크가 생기기 쉽고, 또한 용접 부위가 생기기 쉬운 지점에 저밀도 소결 영역을 형성한 금형인 경우에는, 고온 가스에 의해 "가온"과 "가압" 2가지 처리를 동시에 행할 수 있어 "싱크 마크"와 "용접 부위" 양쪽이 동시에 방지된다.
(가압·흡인의 태양)
이러한 태양에서는, 저밀도 소결 영역을 통한 "가스 공급"에 의해 "가압 처리"를 행하고, 또한 다른 저밀도 소결 영역을 통한 "가스 흡인"에 의해 "흡인 처리"를 행한다. 바람직하게는, 저밀도 소결 영역 P와 저밀도 소결 영역 Q가 서로 대향한 금형을 사용한다. 이 경우, 수지 원료 또는 성형품의 한쪽 면에는 가압 조작을 행할 수 있는 한편, 그 다른 쪽 면에는 흡인 조작을 행할 수 있으므로, 더욱 효과적으로 "싱크 마크"를 방지할 수 있다.
(사출·보압 단계 및 이형 단계에서의 가압)
이러한 태양에서는, 사출 성형 단계뿐 아니라, 그 이외의 단계에서도 저밀도 소결 영역을 통한 가스 가압을 행한다. 예를 들면, 사출·보압 단계 시에 가압 조작을 행하고, 또한 이형 단계에서도 가압 조작을 행한다. 예를 들면, 도 13에 나타낸 바와 같은 가압 조작을 행하여 이루어진다. 이와 같은 태양에서는, 이형 단계 시에, 저밀도 소결 영역을 통하여 성형품을 향해 가스압을 가할 수 있으므로, 금형으로부터의 성형품의 떼어내기(이형)가 효과적으로 조력을 받는다. 다시 말해, KO 핀 등의 밀 핀(ejector pin) 등을 사용하지 않고, 이형을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 이와 같은 이형 단계 시 등에서 가스 공급을 행하면, 저밀도 소결 영역에서의 수지나 진 등에 의한 막힘을 회피할 수 있는 점에서도 이점이 있다.
"사출·보압 단계 시의 가압 조작"과 "이형 단계 시의 가압 조작"에서는, 가하는 압력이 각각 상이한 것이 바람직하다. 예를 들면, "사출·보압 단계 시의 가압 조작"에서는, 1∼30MPa 정도의 압력을 수지 원료·성형품에 가하는 데 대하여, "이형 단계 시의 가압 조작"에서는 1∼20MPa 정도의 압력을 성형품에 가한다. 이로써, 수지 성형 시에 싱크 마크 발생을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 이형 시에 성형품의 밀어내기를 용이하게 실시할 수 있고, 또한 저밀도 소결 영역에서의 막힘 등 도 효과적으로 회피할 수 있다.
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,
3차원 형상 조형물의 표면 영역의 일부를 저밀도 고화 영역으로서 형성하고,
상기 저밀도 고화 영역을 통과하는 가스에 의해 가압이 행할 수 있도록 상기 저밀도 고화 영역의 고화 밀도를 50%∼90%로 하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제2 실시예: 상기 제1 실시예에 있어서, 상기 저밀도 고화 영역과 연통하는 중공 영역을 상기 3차원 형상 조형물에 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제3 실시예: 상기 제1 실시예 또는 제2 실시예에 있어서, 상기 저밀도 고화 영역의 두께가 0.5∼10mm가 되도록 상기 저밀도 고화 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제4 실시예: 상기 제2 실시예에 있어서, 상기 중공 영역의 일부에 상기 저밀도 고화 영역과 연결하여 이루어지는 고화부를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제5 실시예: 상기 제1 실시예∼제4 실시예 중 어느 하나의 제조 방법으로 얻어지고, 코어 측 또는 캐비티 측의 금형으로 사용되는 3차원 형상 조형물로서,
금형의 캐비티를 형성하는 면 중 적어도 일부에 고화 밀도 50%∼90%의 저밀도 고화 영역이 형성되어 있고, 상기 저밀도 고화 영역을 통과하는 가스에 의해 성형 원료 또는 성형품을 가압할 수 있는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물.
제6 실시예: 상기 제5 실시예에 있어서, 상기 저밀도 고화 영역과 연통하는 중공 영역을 포함하여 이루어지고, 상기 중공 영역이 외부와 연통하고 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물.
제7 실시예: 상기 제5 실시예 또는 제6 실시예에 있어서, 상기 저밀도 고화 영역의 두께가 국소적으로 상이한 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물.
제8 실시예: 상기 제1 실시예∼제4 실시예 중 어느 하나의 제조 방법으로 얻어진 3차원 형상 조형물 또는 상기 제5 실시예∼제7 실시예 중 어느 하나의 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용한 성형품의 제조 방법으로서,
(i) 상기 금형의 캐비티부를 수지 원료로 채우는 단계, 및
(ii) 상기 캐비티부에서 상기 수지 원료를 성형하는 단계
를 포함하여 이루어지고,
상기 저밀도 고화 영역을 통하여 가스를 공급함으로써, 상기 캐비티부의 바깥쪽에서 상기 수지 원료 또는 얻어지는 성형품에 압력을 가하는 것을 특징으로 하는, 성형품의 제조 방법.
제9 실시예: 상기 제8 실시예에 있어서, 상기 가스의 온도에 의해, 상기 캐비티부의 상기 수지 원료 또는 상기 성형품의 온도 조정을 행하는 것을 특징으로 하는 성형품의 제조 방법.
제10 실시예: 상기 제8 실시예 또는 제9 실시예에 있어서, 사출·보압 단계와 이형 단계 각각에서 상기 가스 공급에 의한 가압을 행하고, 상기 사출·보압 단계와 상기 이형 단계에서 각각 상이한 압력의 가압을 행하는 것을 특징으로 하는 성형품의 제조 방법.
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 제2010-132213호(출원일: 2010년 6월 9일, 발명의 명칭: "3차원 형상 조형물의 제조 방법, 얻어지는 3차원 형상 조형물 및 성형품의 제조 방법")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)
20: 조형 테이블
21: 조형 플레이트
22: 분말층(예를 들면, 금속 분말층 또는 수지 분말층)
23: 스키징용 블레이드(squeezing blade)
24: 고화층(예를 들면, 소결층)
24a: 고밀도 고화 영역(예를 들면, 고밀도 소결부)
24b: 저밀도 고화 영역(예를 들면, 저밀도 소결 영역)
24b1∼24b4: 복수의 저밀도 고화 영역(예를 들면, 복수의 저밀도 소결 영역)
24c: 지지용 고화부(예를 들면, 지지용 소결부)
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: 중공 영역
L: 광빔
100: 3차원 형상 조형물
120: 성형품 리브를 형성하는 부분
200: 성형품 또는 수지 원료
202: 리브
204: 싱크 마크
300: 연결관(종래 기술)

Claims (10)

  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,
    3차원 형상 조형물의 표면 영역의 일부를 저밀도 고화 영역으로서 형성하는 동시에, 상기 저밀도 고화 영역과 연통하는 중공 영역을 상기 3차원 형성 조형물에 형성하고,
    상기 중공 영역의 일부에 상기 저밀도 고화 영역과 연결하여 이루어지는 고화부를 형성하며,
    상기 저밀도 고화 영역을 통과하는 가스에 의해 가압이 행할 수 있도록 상기 저밀도 고화 영역의 고화 밀도를 50%∼90%로 하는,
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저밀도 고화 영역의 두께가 0.5∼10mm가 되도록 상기 저밀도 고화 영역을 형성하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 기재된 제조 방법으로 얻어지고, 코어 측 또는 캐비티 측의 금형으로 사용되는 3차원 형상 조형물로서,
    금형의 캐비티를 형성하는 면 중 적어도 일부에 고화 밀도 50%∼90%의 저밀도 고화 영역이 형성되어 있고, 상기 저밀도 고화 영역을 통과하는 가스에 의해 성형 원료 또는 성형품을 가압할 수 있는,
    3차원 형상 조형물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 저밀도 고화 영역과 연통하는 중공 영역을 포함하여 이루어지고, 상기 중공 영역이 외부와 연통하고 있는, 3차원 형상 조형물.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 저밀도 고화 영역의 두께가 국소적으로 상이한, 3차원 형상 조형물.
  8. 제1항에 기재된 제조 방법으로 얻어지는 3차원 형상 조형물을 금형으로 사용한 성형품의 제조 방법으로서,
    (i) 상기 금형의 캐비티부를 수지 원료로 채우는 단계, 및
    (ii) 상기 캐비티부에서 상기 수지 원료를 성형하는 단계
    를 포함하여 이루어지고,
    상기 저밀도 고화 영역을 통하여 가스를 공급함으로써, 상기 캐비티부의 바깥쪽에서 상기 수지 원료 또는 얻어지는 성형품에 압력을 가하는,
    성형품의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가스의 온도에 의해, 상기 캐비티부의 상기 수지 원료 또는 상기 성형품의 온도 조정을 행하는, 성형품의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    사출·보압 단계와 이형 단계 각각에서 상기 가스 공급에 의한 가압을 행하고, 상기 사출·보압 단계와 상기 이형 단계에서 각각 상이한 압력의 가압을 행하는, 성형품의 제조 방법.
KR1020137000519A 2010-06-09 2011-06-09 3차원 형상 조형물의 제조 방법, 이에 따라 얻어지는 3차원 형상 조형물 및 성형품의 제조 방법 KR101521482B1 (ko)

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