KR101587411B1 - heat treatment apparatus for 3d metal printer and the product heat treatment method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3D 메탈 프린터의 열처리장치 및 그 구조물 열처리방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 구조물의 가공적층과정에서 열처리를 실시하여 구조물의 내부까지 열처리를 할 수 있도록 하는 것에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a heat treatment apparatus for a 3D metal printer and a heat treatment method for the same, and more particularly, to heat treatment in a process of lamination of a structure.
3D 프린터는 컴퓨터 디자인 프로그램으로 만든 3차원 도면을 바탕으로 실물의 입체 모양 그대로 찍어내는 장비이다.The 3D printer is a device that draws the 3D shape of a real object based on a 3D drawing made by a computer design program.
3D 프린터는 설계 데이터에 따라 액체파우더 형태의 폴리머(수지), 금속 등의 재료를 가공적층 방식(Layer-by-layer)으로 쌓아올려 구조물을 제조한다.3D printers produce structures by stacking materials such as polymers (resins) and metals in liquid powder form in a layer-by-layer manner according to design data.
즉, 일반적인 프린터가 입력된 사진이나 문서에 따라 잉크를 분사하듯, 3D 프린터는 디지털화된 3차원 제품 디자인을 2차원 단면으로 연속적으로 재구성하여 소재를 한 층씩 인쇄하면서 적층하게 된다.In other words, just as a typical printer sprays ink according to input photos or documents, the 3D printer continuously reconstructs the digitized three-dimensional product design into two-dimensional sections to stack the materials one layer at a time.
이에 재료를 자르거나 깎는 방식의 전통적인 생산방식을 절삭가공(Subtractive manufacturing)이라고 하는 반면, 3D 프린팅은 새로운 층을 켜켜이 쌓는 방식이기 때문에 적층가공(Additive manufacturing)이라 한다. The traditional production method of cutting or cutting materials is called "subtractive manufacturing", whereas 3D printing is called "additive manufacturing" because it is a method of stacking new layers.
초기의 3D 프린터는 액체상태에서 빛을 받으면 굳어지는 성질을 가진 플라스틱, 즉 광경화성 수지를 사용하여 제품의 단면을 인쇄, 적층하는 광조형법(Stereolithography)으로 사용하는 것이 주류였지만 최근에는 금속 분말에 레이저를 쏘거나 플라스틱을 녹여 단면을 직접 인쇄하는 등 여러 가지 방식의 3D 프린팅 기술이 사용되고 있다.In the early days, 3D printers were mainly used as stereolithography for printing and laminating a cross section of a product using plastics having hardening properties when receiving light in a liquid state, that is, photocurable resin. Recently, Or 3D printing techniques such as printing the cross-section directly by melting plastic are being used.
지금까지 3D 프린팅은 주로 시제품 제작에 이용되어 왔다.Until now, 3D printing has been mainly used for prototype production.
전통적인 시제품 제작 방식은 여러 단계를 거쳐야 하는 반면, 3D 프린팅은 디자인만 있으면 그 자리에서 시제품을 제작할 수 있기 때문이다.The traditional prototyping method has to go through several stages, while 3D printing can produce prototypes on the spot with design.
또한, 3D 프린팅은 오류를 발견한 경우에는 제품 디자인만 수정하면 손쉽게 다시 제작할 수 있다는 장점도 있으며, 별도의 금형을 제작하거나 여러 종류의 기기를 사용하는 일이 적어 초기 투자 규모 역시 줄일 수 있다.In addition, 3D printing has the advantage that if it finds an error, it can be easily rebuilt by simply modifying the product design. Also, the initial investment can be reduced because it is not necessary to produce a separate mold or use various kinds of devices.
하지만 오늘날 3D 프린팅은 시제품 제작을 넘어 직접 상품을 생산할 수 있는 기술로 주목받기 시작했다.Today, however, 3D printing has begun to attract attention as a technology that can produce goods directly beyond prototype production.
이미 3D 프린팅으로 생산된 액세서리, 휴대폰 케이스, 주방식기 등이 등장했으며, 다소 기술적 난이도가 높은 자동차, 항공기 등의 주요 부품을 생산하는데도 사용되기 시작했다.Accessories such as 3D printing, cell phone cases, kitchen utensils, etc. have already appeared, and they have also started to be used to produce major parts such as automobiles and airplanes, which have a somewhat technical difficulty.
3D 프린팅 기술 중에서 특히 메탈 프린팅 기술은 금속 분말의 재료를 녹여서 가공적층 방식(Layer-by-layer)으로 구조물을 제작하는 기술이다.Among the 3D printing technologies, metal printing technology is a technique for fabricating structures by layer-by-layer by melting metal powder materials.
하기의 특허문헌 1에는 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원 인쇄장 치가 개시되어 있다.The following Patent Document 1 discloses a three-dimensional printing apparatus using a laminated laser welding method of metal powder.
특허문헌 1의 3차원 인쇄장치는 금속 분말을 적층하고 제품의 단면의 패턴에 따라 레이저 용접 방식의 용접을 하여 일체화하고, 반복적으로 금속 분말을 한층 한층 적층하면서 용접하여 제품을 완성한다.In the three-dimensional printing apparatus of Patent Document 1, metal powders are laminated and welded by laser welding in accordance with the pattern of the cross section of the product to integrate them, and metal powder is repeatedly laminated to complete the product.
한편, 상기 메탈 프린팅 기술로 구조물을 제작하는 경우에는 구조물의 일부 또는 전부를 열처리하는 과정이 필요하게 된다.On the other hand, when the structure is manufactured using the metal printing technique, a process of heat-treating a part or all of the structure is required.
하기의 특허문헌 2에는 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 장치 및 그 장치를 이용한 열처리 방법이 개시되어 있다.
The following Patent Document 2 discloses a local heat treatment apparatus for an automotive part using a diode laser having high-pressure air injection cooling means and a heat treatment method using the apparatus.
도 1은 종래 기술에 따른 3D 메탈 프린팅 구조물의 열처리 예시 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an example of a heat treatment of a 3D metal printing structure according to the prior art.
종래에는 3D 메탈 프린터로 구조물을 제작한 후에 열처리를 하였다.Conventionally, a structure is manufactured using a 3D metal printer and then heat-treated.
그러나 종래와 같이 3D 메탈 프린팅 구조물을 완성한 후에 열처리를 하게 되면 도 1과 같이 구조물의 표면에 대한 열처리만이 가능하게 되고 구조물의 내부에 대한 열처리가 불가능하게 된다.However, if the heat treatment is performed after completing the 3D metal printing structure as in the prior art, only the heat treatment of the surface of the structure becomes possible as shown in FIG. 1, and the heat treatment of the inside of the structure becomes impossible.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 3D 메탈 프린팅 구조물의 외부는 물론 구조물 내부의 필요한 부위까지 열처리를 수행할 수 있도록 하는 것에 의해 구조물의 상품성을 향상시킬 수 있도록 하는 3D 메탈 프린터의 열처리장치 및 그 구조물 열처리방법을 제공하는 데에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art and it is an object of the present invention to provide a 3D metal printing structure capable of performing heat treatment not only to the outside but also to a necessary part inside the structure, And to provide a heat treatment apparatus for a metal printer and a heat treatment method for the structure.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치는 금속 분말을 레이저로 녹여서 구조물을 적층 가공하는 3D 메탈 프린터; 3D 메탈 프린터와 열처리유니트의 작동을 제어하는 메인 제어부; 상기 3D 메탈 프린터를 통한 구조물의 적층 가공과정에서 층별 열처리를 수행하는 열처리유니트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a 3D metal printer including a 3D metal printer for melting a metal powder with a laser to form a structure; A main controller for controlling operations of the 3D metal printer and the thermal processing unit; And a heat treatment unit for performing the layer heat treatment in the process of stacking the structures through the 3D metal printer.
본 발명에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치는 상기 3D 메탈 프린터가 구조물 가공에 필요한 금속 분말을 공급하는 금속 분말 공급부; 적층되는 금속 분말의 두께를 조절하는 적층 높이 조절부; 금속 분말을 용융하는 가공 레이저를 출력하는 가공 레이저 출력부; 가공 레이저 출력이 설계 형태로 출력되도록 하는 평면 프린팅 경로 출력부;를 포함하고, 상기 열처리유니트가 열처리 작업이 진행되는 공간의 분위기를 제어하는 열처리 분위기 제어부; 열처리가 필요한 부위를 가열하는 열처리 레이저를 출력하는 열처리 레이저 출력부; 열처리 레이저로 가열된 부위에 대한 냉각을 제어하는 냉각 제어부; 열처리 레이저의 출력이 설계 형태로 출력되도록 하는 평면 열처리 경로 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The 3D metal printer according to the present invention is characterized in that the 3D metal printer is provided with a metal powder supply unit for supplying metal powder necessary for processing a structure; A stack height adjusting unit for adjusting a thickness of the metal powder to be stacked; A machining laser output section for outputting a machining laser for melting the metal powder; And a planar printing path output unit for outputting the processed laser output in a designed form, wherein the thermal processing unit controls the atmosphere of the space in which the thermal processing is performed; A heat-treated laser output unit for outputting a heat-treated laser for heating a site requiring heat treatment; A cooling control unit for controlling cooling of a region heated by the heat treatment laser; And a planar heat treatment path output unit for outputting the output of the heat treatment laser in a designed form.
본 발명에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치는 상기 열처리유니트의 냉각 제어부가 열처리 종류별 냉각 속도를 제어하며, 펠티어소자를 이용하는 방식, 냉각공기를 분사하는 방식, 질소가스 또는 냉체냉매를 기화시켜 증발잠열을 사용하는 방식 중의 어느 하나로 냉각을 제어하는 것을 특징으로 한다.The apparatus for heating a 3D metal printer according to the present invention is characterized in that the cooling control unit of the heat treatment unit controls the cooling rate for each type of heat treatment, and a method of using a Peltier element, a method of spraying cooling air, a method of vaporizing a nitrogen gas or a cold refrigerant, And cooling is controlled by any of the methods used.
본 발명에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구조물 열처리방법은 메인 제어부의 제어신호에 의해 3D 메탈 프린터가 평면층을 프린팅하는 단계; 메인 제어부에서 프린팅 평면층이 열처리 작업층인지를 판단하는 단계; 상기 열처리 작업층 여부 판단 결과 프린팅 평면층이 열처리 작업층이면 제어부의 제어신호에 의해 열처리유니트가 상기 프린팅 평면층에 대한 열처리를 실시하는 단계; 메인 제어부에서 열처리 작업이 완료되었는지를 판단하는 단계; 상기 열처리 작업 완료 여부 판단 결과 열처리 작업이 완료되었으면 제어부의 제어신호에 의해 3D 메탈 프린터가 열처리 작업 평면층 위에 새로운 평면층을 프린팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of heat treating a structure of a 3D metal printer according to the present invention includes: printing a flat layer on a 3D metal printer by a control signal of a main controller; Determining whether the printing plane layer is a heat treatment work layer in the main control unit; Performing a heat treatment on the printing plane layer by a thermal processing unit according to a control signal of the control unit if the printing plane layer is a heat processing work layer as a result of the determination whether the heat processing work layer exists; Determining whether the heat treatment operation is completed in the main control unit; If the heat treatment operation is completed, the 3D metal printer prints a new plane layer on the heat treatment operation plane layer according to a control signal of the control unit.
본 발명에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구조물 열처리방법은 상기 열처리 작업층 여부 판단 결과 프린팅 평면층이 열처리 작업층이 아니면 제어부의 제어신호에 의해 3D 메탈 프린터가 열처리 작업 평면층 위에 새로운 평면층을 프린팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
If the printing plane layer is not a heat treatment work layer as a result of the determination as to whether or not the heat treatment work layer is formed, the 3D metal printer may apply a new planar layer on the heat treatment work plane layer by the control signal of the controller And printing the image.
본 발명에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치 및 그 구조물 열처리방법에 의하면, 구조물의 제작 과정중의 필요한 층에 열처리를 실시하는 레이어 바이 레이어 열처리 공정기법을 채택함으로써 구조물의 모든 부분에 대한 열처리를 할 수 있게 된다.According to the heat treatment apparatus of the 3D metal printer and the heat treatment method of the structure according to the present invention, it is possible to heat treat all parts of the structure by adopting a layer-by-layer heat treatment process technique for performing heat treatment on the necessary layers in the process of manufacturing the structure .
또한, 본 발명에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치 및 그 구조물 열처리방법은 구조물의 부분마다 열처리를 실시할 수 있게 되므로 구조물의 기계적 성질을 사용자가 원하는 대로 조절할 수 있게 된다.In addition, since the heat treatment apparatus and the heat treatment method for the structure of the 3D metal printer according to the present invention can perform heat treatment for each part of the structure, the mechanical properties of the structure can be adjusted as desired by the user.
예를 들어 금형제작을 위한 3D 프린팅시 하나의 레이어를 적층한 후 적층된 레이어별로 열처리를 수행함으로서 적층된 레이어에 필요한 기계적 성질을 제어할 수 있어 종래 기술의 최종 금형 제작후 열처리보다 적정한 열처리를 수행할 수 있게 된다.For example, when 3D printing for forming a mold is performed, one layer is laminated and then heat treatment is performed for each of the laminated layers, so that the mechanical properties required for the laminated layers can be controlled, so that heat treatment is performed more appropriately than heat treatment after the final mold manufacturing .
또한, 금형의 외곽, 내부, 코어 별로 필요한 기계적 성질에 맞는 열처리를 수행하여 완성된 금형의 기계적 성질을 구현할 수 있게 된다.
In addition, it is possible to realize the mechanical properties of the finished mold by performing the heat treatment according to the mechanical properties required for the outer periphery, inner and core of the mold.
도 1은 종래 기술에 따른 3D 메탈 프린팅 구조물의 열처리 예시 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구성 블록도,
도 3은 동 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 3D 메탈 프린팅 구조물의 열처리 예시도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구조물 열처리 공정도.1 is a cross-sectional view of an example of a heat treatment of a 3D metal printing structure according to the prior art,
FIG. 2 is a block diagram of a thermal processing apparatus for a 3D metal printer according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an example of heat treatment of a 3D metal printing structure of a heat treatment apparatus for a 3D metal printer according to the present invention,
FIG. 4 is a view showing a heat treatment process of a structure of a heat treatment apparatus for a 3D metal printer according to a preferred embodiment of the present invention. FIG.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치 및 그 구조물 열처리방법을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a heat treatment apparatus and a heat treatment method for a 3D metal printer according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.In the following, the terms "upward", "downward", "forward" and "rearward" and other directional terms are defined with reference to the states shown in the drawings.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구성 블록도이다.FIG. 2 is a block diagram of a heat processing apparatus for a 3D metal printer according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치는 3D 메탈 프린터(100), 메인 제어부(200), 열처리유니트(300)를 포함한다.A 3D metal printer thermal processing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention includes a
3D 메탈 프린터(100)는 금속 분말을 레이저로 녹여서 구조물을 적층 가공하는 장비로, 금속 분말 공급부(110), 적층 높이 조절부(120), 가공 레이저 출력부(130), 평면 프린팅 경로 출력부(140)를 포함한다.The
상기 3D 메탈 프린터(100)의 금속 분말 공급부(110)는 구조물 가공에 필요한 금속 분말을 공급한다.The metal
적층 높이 조절부(120)는 적층되는 금속 분말의 두께를 조절하고, 가공 레이저 출력부(130)는 금속 분말을 용융하는 가공 레이저를 출력한다.The stack
그리고 평면 프린팅 경로 출력부(140)는 가공 레이저 출력이 설계 형태로 출력되도록 한다.The planar printing
메인 제어부(200)는 3D 메탈 프린터(100)와 열처리유니트(300)의 작동을 제어한다.The
열처리유니트(300)는 상기 3D 메탈 프린터(100)에 의한 구조물의 적층 가공과정에서 층별 열처리를 수행할 수 있도록 하는 것으로, 열처리 분위기 제어부(310), 열처리 레이저 출력부(320), 냉각 제어부(330), 평면 열처리 경로 출력부(340)를 포함한다.The
상기 열처리유니트(300)의 열처리 분위기 제어부(310)는 열처리 작업이 진행되는 공간의 분위기를 제어할 수 있도록 하는 분위기 가스 공급을 위한 가스공급수단(311) 및 분위기 가스 배출을 위한 가스배출수단(312)을 포함한다.The heat treatment
열처리 레이저 출력부(320)는 열처리가 필요한 부위를 가열하는 열처리 레이저를 출력한다.The heat-treated
상기 열처리 레이저 출력부(320)는 열처리 종류(?칭, 템퍼링 등)별 레이저 출력 파워를 조절하고, 열처리 종류별 가열시간을 조절한다.The heat treatment
냉각 제어부(330)는 열처리 레이저로 가열된 부위에 대한 냉각온도 등을 제어한다.The
상기 냉각 제어부(330)는 열처리 종류별 냉각 속도를 제어하며, 이때 냉각속도 제어방식은 펠티어소자를 이용하는 방식, 냉각공기를 분사하는 방식, 질소가스 또는 냉체냉매를 기화시켜 증발잠열을 사용하는 방식 등을 사용할 수 있다.The
평면 열처리 경로 출력부(340)는 열처리 레이저의 출력이 설계 형태로 출력되도록 한다.The planar heat treatment
상기 평면 열처리 경로 출력부(340)는 평면 위치별 열처리 종류를 달리 제어한다.The planar heat treatment
예를 들어 외곽부의 표면 경화, 코어부, 내부의 인성부여 등과 같이 필요로 하는 기계적 성질에 맞게끔 열처리를 종류 개별 제어한다.For example, the types of heat treatment are individually controlled in accordance with the required mechanical properties such as surface hardening of the outer portion, core portion, internal toughness, and the like.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치는 금속 분말을 레이저로 용융하여 구조물 층을 순차 적층하는 과정에서 필요한 구조물 층에 대한 열처리를 수행하게 된다.The heat treatment apparatus of the 3D metal printer according to the preferred embodiment of the present invention performs heat treatment on a structure layer necessary for sequentially laminating structure layers by melting a metal powder with a laser.
상기에서 열처리는 고온에서 급랭하여 보통이면 일어날 변화를 일부 또는 전부 저지하여 필요한 특성을 내는 담금질(?칭); 한 번 담금질한 후 비교적 저온에 가열하여 담금질로써 저지한 변화를 약간 진행시켜 꼭 알맞은 특성을 가지게 만드는 뜨임(템퍼링); 가열하여 천천히 식힘으로 금속재료의 뒤틀림을 바로잡거나 상의 변화를 충분히 끝나게 하여 안정 상태로 만드는 풀림(어닐링); 등의 여러 가지 처리를 모두 포함한다.In the above, the quenching (quenching) in which the quenching at high temperature quenches the quenching to some extent or wholly prevents the occurrence of the quenching; (Tempering) which makes the change slightly inhibited by quenching once and then quenching by heating at a relatively low temperature so as to have appropriate characteristics; (Annealing) which stabilizes the metal material by correcting the twist of the metal material by heating and slowly cooling or changing the phase sufficiently; And the like.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치에서 3D 메탈 프린터(100)는 3D 메탈 프린터(100)를 통해 금속 분말을 공급하고 가공 레이저로 녹여 구조물 층을 순차로 형성한다.In the
즉, 3D 메탈 프린터(100)는 평면 프린팅 경로 출력부(140)의 출력 신호 및 적층 높이 조절부(120)의 조절 신호에 따라 금속 분말 공급부(110)에서 일정 형태 및 일정 두께로 금속 분말을 공급하게 되고, 가공 레이저 출력부(130)를 통해 출력되는 가공 레이저로 금속 분말을 용융하여 구조물 층을 형성한다.That is, the
상기 3D 메탈 프린터(100)에서 사용되는 금속 분말은 마레이징강(MaragingSteel MS1)부터 코발트크롬(CobaltChrome MP1), 스텐레스 스틸 계열(Stainless Steel GP1,PH1), 알루미늄(Aluminium AlSi10Mg), 니켈알로이 계열(Nickel Alloy IN718, IN625) 및 현재 자동차 및 선박, 항공산업 등지에서 쓰이는 인코넬 계열 합금 등이 있다.The metal powder used in the
상기 금속 분말 중에서 4140 카본 스틸의 담금질 온도 850℃, 풀림온도 450℃이고, 7075 알루미늄 합금의 풀림온도 500℃이다.In the metal powder, the quenching temperature of 4140 carbon steel was 850 캜, the annealing temperature was 450 캜, and the annealing temperature of 7075 aluminum alloy was 500 캜.
도 3은 동 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 3D 메탈 프린팅 구조물의 열처리 예시도이다.3 is a view illustrating an example of heat treatment of a 3D metal printing structure of a heat treatment apparatus for a 3D metal printer according to the present invention.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치에서 상기 3D 메탈 프린터(100)를 통해 구조물 층이 적층된 후에는 다음 구조물 층을 적층하기 전에 열처리유니트(300)를 통해 열처리가 진행될 수 있다.In the 3D metal printer heat treatment apparatus according to the preferred embodiment of the present invention, after the structure layers are stacked through the
즉, 상기 3D 메탈 프린터(100)에서 사용되는 금속 분말의 크기는 20㎛ ~ 100㎛ 이고, 1회 적층되는 두께는 200㎛ ~ 1000㎛ 이므로 매회 프린팅되어 적층되는 구조물 층마다 열처리를 할 수도 있지만 다수의 구조물 층을 형성한 후 열처리를 할 수도 있다.That is, since the metal powder used in the
또한, 상기 열처리는 구조물 층의 전체 평면에 걸쳐 할 수도 있고, 부분적으로도 할 수도 있다.Further, the heat treatment may be performed over the entire plane of the structure layer, or may be partially performed.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치에서 열처리유니트(300)는 열처리 분위기 제어부(310)를 통해 열처리 공간에 분위기 가스를 공급하고, 평면 열처리 경로 출력부(340)의 출력 신호에 따라 열처리 레이저 출력부(320)를 통해 출력되는 열처리 레이저로 해당 부위를 가열하거나 냉각 제어부(330)를 통해 출력되는 냉각공기로 해당 부위를 냉각하여 열처리를 수행한다.In the thermal processing apparatus for a 3D metal printer according to the preferred embodiment of the present invention, the
예를 들어 4140 카본스틸 구조물 층에 대한 템퍼링을 진행할 경우 템퍼링 온도가 450℃ 내외이므로 상기 템퍼링 온도를 제어하기 위해 열처리 레이저 출력부(320)는 열처리 레이저 출력 파워를 조절하고, 레이저 조사시간을 설정하며, 템퍼링 부위가 급속 냉각되지 않도록 소정 온도의 가열부를 템퍼링을 위한 열처리 레이저 조사부와 소정거리 이격시킨 상태에서 가열부를 후행시킨다.For example, when tempering is performed on the 4140 carbon steel structure layer, the tempering temperature is about 450 ° C. Therefore, in order to control the tempering temperature, the heat treatment
상기 열처리 과정에서 템퍼링되는 위치는 프린팅되는 외곽부의 약 3mm 안쪽이 바람직하고, ?칭되는 위치는 외곽부에서 내부쪽 약 3mm와 내부에 형성되는 냉각용 코어부가 바람직하다.The position to be tempered in the heat treatment process is preferably about 3 mm inside of the outer frame to be printed, and the cooling core is formed at about 3 mm inward from the outer periphery and inside.
또한, 예를 들어 4140 카본스틸 구조물 층에 대한 ?칭을 진행할 경우 ?칭 온도가 850℃ 내외이므로, 상기 온도를 제어하기 위해 레이저 출력파워를 조절하고, 레이저 조사시간을 설정하며, ?칭부를 급속냉각시키기 위해 급속냉각부를 ?칭을 위한 레이저 조사부와 소정거리 이격시킨 상태에서 급속냉각부를 후행시킨다.In addition, for example, when the temperature of the carbon steel structure layer 4140 is in the range of about 850 ° C., the laser output power is controlled to control the temperature, the laser irradiation time is set, The rapid cooling section is traced to the rapid cooling section in a state where the rapid cooling section is spaced apart from the laser irradiating section for shaking for a predetermined distance.
상기 열처리 과정에서 열처리 온도별로 열처리를 위한 열처리 용입깊이를 제어하는 방법은 레이저의 출력파워를 조절하고, 레이저 조사시간을 빠르게 하거나 느리게 조절하는 방식을 사용할 수 있다.The method of controlling the heat-treatment penetration depth for the heat treatment according to the heat treatment temperature in the heat treatment process may be a method of adjusting the output power of the laser and controlling the laser irradiation time to be faster or slower.
또한, 평균적으로 열처리를 위한 이송속도는 5 ~ 20cm/s 이다.On the average, the feed rate for heat treatment is 5 to 20 cm / s.
열처리 분위기 제어부(310)에 의한 열처리 공간의 열처리 분위기는 불활성 가스를 이용한 불활성 분위기가 바람직하고, 사용가스는 아르곤, 질소, 헬륨가스를 사용하고, 대기압보다는 조금 낮은 - 5mmHg 정도로 하는 것이 바람직하다.The heat treatment atmosphere in the heat treatment space by the heat treatment
상기 열처리 과정에서는 열처리 공간의 상부에서 가스를 공급하고, 하부 일측에서 공급된 가스를 배기하는 방식으로 불활성 가스를 공급 제어하는 것이 바람직하며, 그 이유는 레이저를 조사하게 되면 금속 분말이 용융되면서 산화되는 것을 방지하고자 발생가스를 배출시켜야 하기 때문이다.In the heat treatment process, it is preferable to supply and control the inert gas in such a manner that gas is supplied from the upper portion of the heat treatment space and gas supplied from the lower portion is exhausted. This is because when the laser is irradiated, the metal powder is melted and oxidized It is necessary to discharge the generated gas in order to prevent it.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구조물 열처리 공정도이다.4 is a view illustrating a heat treatment process of a structure of a thermal processing apparatus for a 3D metal printer according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구조물 열처리방법은 메인 제어부(200)의 제어신호에 의해 3D 메탈 프린터(100)가 평면층을 프린팅하는 단계; 메인 제어부(200)에서 프린팅 평면층이 열처리 작업층인지를 판단하는 단계; 상기 열처리 작업층 여부 판단 결과 프린팅 평면층이 열처리 작업층이면 메인 제어부(200)의 제어신호에 의해 열처리유니트(300)가 상기 프린팅 평면층에 대한 열처리를 실시하는 단계; 메인 제어부(200)에서 열처리 작업이 완료되었는지를 판단하는 단계; 상기 열처리 작업 완료 여부 판단 결과 열처리 작업이 완료되었으면 메인 제어부(200)의 제어신호에 의해 3D 메탈 프린터(100)가 열처리 작업 평면층 위에 새로운 평면층을 프린팅하는 단계;를 포함한다.A method of heat treating a structure of a thermal processing apparatus for a 3D metal printer according to a preferred embodiment of the present invention includes printing a planar layer by a
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구조물 열처리방법은 상기 열처리 작업층 여부 판단 결과 프린팅 평면층이 열처리 작업층이 아니면 메인 제어부(200)의 제어신호에 의해 3D 메탈 프린터(100)가 열처리 작업 평면층 위에 새로운 평면층을 프린팅하는 단계;를 포함한다.If the printing plane layer is not a heat treatment work layer, it is determined that the 3D metal printer is not a thermal processing work layer by the control signal of the
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구조물 열처리방법은 상기 열처리 작업 완료 여부 판단 결과 열처리 작업이 완료되지 않았으면 계속 열처리를 실시하는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of heat treating a structure of a thermal processing apparatus for a 3D metal printer, comprising the steps of: continuing heat treatment if the thermal processing is not completed;
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구조물 열처리방법의 평면층 프린팅 단계에서는 3D 메탈 프린터(100)의 평면 프린팅 경로 출력부(140)에서 평면 프린팅 경로 출력하고, 금속 분말 공급부(110)에서 평면 프린팅 경로에 금속 분말을 공급한다.In the plane layer printing step of the method for heat treatment of the structure of the 3D metal printer according to the preferred embodiment of the present invention, the plane printing
또한, 3D 메탈 프린터(100)의 적층높이 조절부(120)에서 평면 프린팅 경로에 공급된 금속 분말의 수평높이를 정렬하고, 가공 레이저 출력부(130)에서 평면 프린팅 경로에 레이저를 조사하여 평면층을 프린팅한다.In addition, the horizontal height of the metal powder supplied to the flat printing path is aligned in the stack
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구조물 열처리방법의 평면층 열처리 단계에서는 열처리유니트(300)의 열처리 분위기 제어부(310)에서 열처리 작업공간의 분위기를 조성하고, 평면 열처리 경로 출력부(340)에서 평면 열처리 경로를 출력한다.In the plane layer heat treatment step of the structure heat treatment method of the 3D metal printer according to the preferred embodiment of the present invention, the atmosphere of the heat treatment work space is formed in the heat treatment
또한, 열처리유니트(300)의 열처리 레이저 출력부(320)에서 열처리 레이저를 조사하고, 냉각 제어부(330)에서 열처리 부분을 냉각한다.Further, the heat treatment
이처럼 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 메탈 프린터의 열처리장치 및 그 구조물 열처리방법은 3D 메탈 프린터(100)로 구조물을 적층가공하는 과정에서 필요한 평면층에 열처리를 수행한다.As described above, the apparatus and method for heat treatment of a 3D metal printer according to the preferred embodiment of the present invention perform heat treatment on a plane layer necessary for a process of laminating a structure with a
따라서 3D 메탈 프린터(100)로 제작되는 구조물의 외부는 물론 구조물 내부의 특정 부위에도 필요한 열처리를 할 수 있게 된다.Therefore, it is possible to perform the necessary heat treatment not only on the outside of the structure fabricated by the
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
Although the present invention has been described in detail with reference to the above embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.
100 : 3D 메탈 프린터
200 : 메인 제어부
300 : 열처리유니트100: 3D metal printer
200:
300: heat treatment unit
Claims (5)
3D 메탈 프린터(100)와 열처리유니트(300)의 작동을 제어하는 메인 제어부(200);
상기 3D 메탈 프린터(100)를 통한 구조물의 적층 가공과정에서 층별 열처리를 수행하는 열처리유니트(300);로 이루어지고,
상기 열처리유니트(300)는
열처리 작업이 진행되는 공간의 분위기를 제어하기 위해 분위기 가스공급수단 및 분위기 가스배출수단을 구비하여 열처리 분위기를 제어하는 열처리 분위기 제어부(310);
상기 구조물의 외곽부는 표면경화를 위한 담금질을 수행하고, 상기 구조물의 코어부 및 내부는 어닐링 또는 템퍼링을 수행하여, 상기 구조물의 평면 위치에 따라 선택된 열처리를 수행하도록 평면 열처리 경로를 출력하는 열처리 경로 출력부(340);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 메탈 프린터의 열처리장치.
A 3D metal printer (100) for laminating a structure by melting a metal powder with a laser;
A main controller 200 for controlling operations of the 3D metal printer 100 and the thermal processing unit 300;
And a heat treatment unit (300) for performing a layered heat treatment in the process of stacking the structures through the 3D metal printer (100)
The heat treatment unit 300 includes
A heat treatment atmosphere control unit 310 for controlling the heat treatment atmosphere by supplying atmospheric gas supply means and atmosphere gas discharge means to control the atmosphere of the space where the heat treatment operation is performed;
Wherein the outer periphery of the structure performs quenching for surface hardening and the core portion and the inner portion of the structure are annealed or tempered to perform a heat treatment selected in accordance with the plane position of the structure, (340) for heating the 3D metal printer.
상기 3D 메탈 프린터(100)는
구조물 가공에 필요한 금속 분말을 공급하는 금속 분말 공급부(110);
적층되는 금속 분말의 두께를 조절하는 적층 높이 조절부(120);
금속 분말을 용융하는 가공 레이저를 출력하는 가공 레이저 출력부(130);
가공 레이저 출력이 설계 형태로 출력되도록 하는 평면 프린팅 경로 출력부(140);를 포함하고,
상기 열처리유니트(300)는
상기 구조물의 평면 위치에 따라 선택된 열처리를 수행하도록 레이저 파워 조절 및 레이저 조사시간을 출력하는 열처리 레이저 출력부(320);
상기 열처리 레이저 출력부(320)에서 상기 구조물의 평면 위치에 따라 선택된 열처리에 맞는 냉각속도를 제어하는 냉각 제어부(330);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 메탈 프린터의 열처리장치.
The method according to claim 1,
The 3D metal printer 100 includes
A metal powder supply part (110) for supplying a metal powder necessary for processing a structure;
A stack height adjusting portion 120 for adjusting the thickness of the metal powder to be stacked;
A machining laser output section (130) for outputting a machining laser for melting the metal powder;
And a planar printing path output unit (140) for outputting the processed laser output in a designed form,
The heat treatment unit 300 includes
A heat treatment laser output unit 320 for outputting a laser power adjustment and a laser irradiation time so as to perform a selected heat treatment according to a plane position of the structure;
And a cooling control unit (330) for controlling the cooling rate corresponding to the selected heat treatment according to the plane position of the structure in the heat treatment laser output unit (320).
상기 열처리유니트(300)의 냉각 제어부(330)는 열처리 종류별 냉각 속도를 제어하며, 펠티어소자를 이용하는 방식, 냉각공기를 분사하는 방식, 질소가스 또는 냉체냉매를 기화시켜 증발잠열을 사용하는 방식 중의 어느 하나로 냉각을 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 메탈 프린터의 열처리장치.
3. The method of claim 2,
The cooling control unit 330 of the heat treatment unit 300 controls the cooling rate for each type of heat treatment and may be any one of a method using a Peltier element, a method of spraying cooling air, a method of using a latent heat of evaporation by vaporizing a nitrogen gas or a refrigerant, Wherein the cooling is controlled by the heating unit.
메인 제어부(200)에서 프린팅 평면층이 열처리 작업층인지를 판단하는 단계;
상기 열처리 작업층 여부 판단 결과 프린팅 평면층이 열처리 작업층이면,
ⅰ) 열처리 작업이 진행되는 공간의 분위기를 제어하기 위해 분위기 가스공급수단 및 분위기 가스배출수단을 구비하여 열처리 분위기를 제어하고,
ⅱ) 3D 메탈 프린터(100)에 의해 적층 가공된 구조물의 외곽부는 표면경화를 위한 담금질을 수행하고, 상기 구조물의 코어부 및 내부는 어닐링 또는 템퍼링을 수행하여, 상기 구조물의 평면 위치에 따라 선택된 열처리를 수행하도록 평면 열처리 경로를 출력하는 단계;
메인 제어부(200)에서 열처리 작업이 완료되었는지를 판단하는 단계;
상기 열처리 작업 완료 여부 판단 결과 열처리 작업이 완료되었으면 메인 제어부(200)의 제어신호에 의해 3D 메탈 프린터(100)가 열처리 작업 평면층 위에 새로운 평면층을 프린팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 메탈 프린터의 열처리장치의 구조물 열처리방법.Printing the planar layer by the 3D metal printer 100 according to a control signal of the main controller 200 that controls the operation of the 3D metal printer 100;
Determining whether the printing plane layer is a heat treatment work layer in the main control unit 200;
If the printing plane layer is determined to be the heat treatment layer,
(I) an atmosphere gas supply means and an atmosphere gas discharge means are provided to control the atmosphere of the space where the heat treatment operation is performed to control the heat treatment atmosphere,
Ii) the outer periphery of the structure laminated by the 3D metal printer 100 is subjected to quenching for surface hardening, and the core and the interior of the structure are subjected to annealing or tempering, Outputting a planar heat treatment path so as to perform the heat treatment;
Determining whether the heat treatment operation is completed in the main control unit 200;
If it is determined that the heat treatment operation has been completed, the 3D metal printer 100 prints a new plane layer on the heat treatment operation plane layer according to the control signal of the main controller 200. [ (METHOD FOR TREATING STRUCTURES OF METAL PRINTER.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190116 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20200102 Year of fee payment: 5 |