KR101614860B1 - 아크 및 합금금속분말 코어 와이어를 이용한 ded 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치 - Google Patents

아크 및 합금금속분말 코어 와이어를 이용한 ded 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

아크 및 합금금속분말 코어 와이어를 이용한 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치에 대하여 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법은 (a) 접지선을 통해 3차원 프린팅부 조형물을 제1전극과 연결하고, 합금금속분말 코어 와이어의 둘레 표면에 전극 접촉 팁(tip)이 태핑(tapping)된 제2전극을 상기 조형물의 프린팅부 표면 일부와 접촉시킨 후, 상기 제1전극과 제2전극의 전위차에 의해 아크를 발생시켜 합금금속분말 코어 와이어의 선단과 프린팅부 표면을 동시에 용융시키는 단계; (b) 상기 합금금속분말 코어 와이어의 용융물과 프린팅부 표면의 용융물이 혼합되어 응고되면서 단일층을 형성하는 단계; 및 (c) 단일층 오버레이(overlay)를 연속적으로 수행하여 상기 단일층을 적층하는 단계;를 포함하고, 상기 (a)~(c) 단계는 불활성 가스 분위기에서 수행되며, 프린팅 프로그램, 전압조절기, 전류조절기, 와이어 송급 속도조절기 및 보호가스 조절기를 포함하는 직류 정전압 특성 전원 장치에 정보를 입력한 후, 상기 정보에 따라 프린팅 프로그램에 의해 아크 길이와 와이어 송급 속도가 자동으로 제어되고, 상기 정보는 전류크기 및 와이어 송급속도를 포함하고, 상기 프린팅부 표면의 입열량(Q)은 하기식을 따르는 것을 특징으로 한다.
114 J/cm≤입열량≤136 J/cm
입열량 = 아크 전압(V) x 아크 전류(A) ÷ 3차원 프린팅 건의 이동속도(cm/sec)
또한, 상기 3차원 프린팅부 조형물은 3차원 프린팅 건을 포함하는 프린팅 건 장치 하부에 위치하고, 상기 3차원 프린팅 건은 프린팅 건 장치 내부에 고정된 고정형의 3차원 프린팅 건 또는 작업자가 프린팅 건을 손으로 잡고(hand-held) 수동으로 작업할 수 있는 별도의 수동형의 3차원 프린팅 건인 것을 특징으로 한다.

Description

아크 및 합금금속분말 코어 와이어를 이용한 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치{PRINTING METHOD OF 3D DIRECTED ENERGY DEPOSITION BY USING ARC AND ALLOY METAL POWDER CORED WIRE AND ITS APPARATUS}
본 발명은 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아크 및 합금금속분말 코어 와이어를 이용한 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
DED 3차원 프린팅은 3차원 형상을 컴퓨터 모델링 작업을 통해 디지털 디자인 데이터로 만들고 이를 2차원 평면으로 미분한 후, 미분화된 소재를 3차원 프린팅 장치로 평면에 프린트한다. 프린트된 것을 층 쌓기(layer-by-layer) 방식으로 계속 쌓아 올려 3차원 제품을 제작하는 기술이다. 재료를 자르거나 깎아 생산하는 절삭가공 (Subtractive Manufacturing)과 대비되는 개념으로 공식용어는 적층제조(AM: Additive Manufacturing) 또는 쾌속조형(RP: Rapid Prototyping)이라고 하며, 고분자 소재로 시작하여 최근에는 금속 소재에 대한 3차원 프린팅이 비약적으로 발전하고 있다. ASTM(American Society for Testing and Materials) 및 ISO(International Organization for Standardization)는 3차원 프린팅 기법을 다음과 같이 7가지로 분류하고 있다.
첫번째로, 광중합방식(PP: Photo Polymerization)으로 빛을 조사하여 플라스틱 소재의 중합반응을 일으켜 고형화시킴으로써 물체를 제조한다.
두번째로, 재료분사방식(MJ: Material Jetting)으로 용액형태의 소재를 분사시키고 자외선 등으로 경화시켜 물체를 제조한다.
세번째로, 접착제분사방식(BJ: Binder Jetting)으로 분말형태의 모재 위에 액체형태의 접착제를 토출시켜 분말형태의 모재와 결합시킴으로써 물체를 제조한다.
네번째로, 재료압출 방식(ME: Material Extrusion)으로 고온으로 가열된 재료를 노즐을 통해 압력으로 연속적으로 밀어내어 위치를 이동시켜가며 물체를 제조한다.
다섯번째로, 박판 라미네이션(SL: Sheet Lamination)으로 얇은 필름형태의 재료를 열 혹은 접착제 등으로 붙여가며 적층시킴으로써 물체를 제조한다.
여섯번째로, 분말적층 용융방식(PBF: Powder Bed Fusion)으로 분말 모재 위에 고에너지 빔(레이저 혹은 전자빔)을 주사하여 분말을 용융 및 응고시켜 한 층씩 적층하며 물체를 제조한다.
일곱번째로, 고에너지 직접조사방식(DED: Directed Energy Deposition)으로 고에너지 빔(레이저빔 혹은 전자빔)에 해당한다. DED는 합금금속분말을 모재 위에 분사시켜 모재 및 분말을 동시에 용융시켜 한 층씩 부착시키며 적층함으로써 물체를 제작한다.
상기 7가지 3차원 프린팅 기법 중에서 금속소재를 3차원 프린팅에 활용하는 기법은 레이저빔을 열원으로 사용하는 PBF 및 DED 기법이다.
PBF 기법은 베드(bed) 위에 금속분말을 편평하게 깔고 사전에 프로그램된 경로에 따라 1kW 미만의 비교적 저출력의 레이저빔이 선택적으로 이동하며 조사한다. 금속분말을 국부적으로 용융 및 응고시켜 2차원의 금속 층을 제작하고, 다시 베드를 아래로 내린 후 2차원의 금속 층의 응고물 위에 다시 금속분말을 도포하여 용융 및 응고시키는 공정을 반복하여 3차원 형상을 제작하는 것이다.
반면, DED 기법은 1kW 이상의 고출력 레이저빔의 주사 및 레이저빔 주위의 금속분말을 동시에 분사시킴으로써, 금속분말을 용융 및 응고시켜 2차원의 금속 초층을 만든다. 이후에도 연속으로 주사되는 레이저 빔으로 초층을 용융시키고, 동시에 실시간으로 분사되는 금속분말도 함께 용융시켜 초층 위에 단일층들을 연속으로 오버레이(overlay)한다. 상기의 공정을 반복적으로 수행하여 적층하고 3차원 형상을 제작하는 것이기 때문에, 모든 공정변수들은 실시간으로 제어가 가능하다. 특히 DED 기법은 기술상 레이저빔 다층금속분말용접(Laser Beam Multi-pass Metal Powder Welding) 혹은 레이저 금속분말적층(Laser Metal Powder Deposition)과 동일하다.
도 1은 7가지의 3차원 프린팅 기법 중에서 금속재료의 3차원 프린팅에 적용 하는 PBF 3차원 프린팅(a), DED 레이저빔 3차원 프린팅(b) 및 DED 레이저빔 3차원 프린팅과 기술적으로 동일 기법인 고에너지 레이저빔 금속분말 용접(c)의 개념도이다.
금속 구조물의 3차원 프린팅을 위해서 산업체에서 많이 활용하는 기법은 DED 레이저빔 3차원 프린팅이다. 이는 3차원 CAD(Computer-Aided Design) 데이터 혹은 3차원 프로그램 모델로부터 직접 금속제품을 신속하게 제작할 수 있는 레이저 금속 성형 기술이다. 1kW 이상의 고출력 레이저빔을 이용하여 조형과정에서 금속분말을 연속적으로 공급하여 용융 및 응고시켜 이들을 접합한다. 3차원 형상은 2차원의 단면들로 구성되어 있으므로, 3차원 CAD 모델 혹은 3차원 프로그램 모델을 일정한 두께로 슬라이싱(slicing)하고 이로부터 산출된 2차원의 단면을 한층씩 쌓아 올림으로써 3차원 형상을 만든다. 이것을 학술적으로 재료상현제조(MIM: Materials Increscent Manufacturing)라 하며, 모든 3차원 프린팅 기술의 기본 개념이다. 2차원 단면에 해당하는 금속 단일층은 고출력 레이저빔의 열에 의해, 금속분말이 용융 및 응고된다. 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 국부적으로 조사하면 순간적으로 금속표면에 용융풀(molten pool)이 형성된다. 용융풀 형성과 동시에 용융풀 안으로 금속분말이 공급되면, 금속분말은 용융 풀에서 완전용융과 급속응고 과정을 거치게 된다. 이때 레이저빔은 3차원 CAD 모델 혹은 3차원 프로그램 모델로부터 산출된 경로에 따라 자유 이동하며 2차원 단면에 해당하는 금속 단일층을 만든다. 3차원 프린팅에서 2차원의 단면에 해당하는 금속 단일층의 높이를 정밀하게 하는 것이 중요하다. 금속 단일층의 높이에 영향을 주는 공정 변수들은 실시간으로 제어할 수 있으며, 각각의 단일층은 3D CAD 모델과 동일한 금속 제품으로 제작될 수 있다.
도 1의 (a)는 일반적인 PBF 3차원 프린팅의 흐름이다. 도 1의 (b)는 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅의 흐름이며, 도 1의 (c)는 고에너지 레이저빔 합금금속분말 용접이다. DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅은 기본적으로 레이저빔 분말용접과 기술적으로 동일하다. 레이저빔 분말용접은 작은 점으로 집속된 레이저 백색광에서 변환되는 높은 밀도의 에너지를 사용하여 용융현상을 수반하는 용접이다. 레이저빔 분말용접의 장점은 레이저가 초점화되어 입사되므로 정교한 부품들을 서로 접합할 수 있으며, 고속 및 로봇자동화가 가능하여 이를 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅 기술로 접목하였다.
[표 1]
Figure 112015103552084-pat00001
[표 1]은 용접 방법에 따른 열밀도 및 최고 온도를 나타낸 표이다.
레이저빔 분말용접은 [표 1]과 같이 레이저빔의 열밀도 및 최고 온도가 대략 30,000 ℃이상으로 높고, 레이저빔이 초점화되어 입사한다. [표 1]을 참조하면, 금속분말을 녹여 적층하는 현행 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅 기법은 적층부의 단위 면적에 집중되어 쏟아지는 열이 많고 온도도 높아, 적층부 금속조직에 많은 영향을 줄 수 있다. 또한, 3차원 프린팅 용접부의 모양이 평평하지 않기 때문에 3차원 프린팅의 열원으로는 레이저빔이 적합하지 않음을 알 수 있다.
도 2는 가스용접(d), 아크용접(e) 및 레이저빔 분말용접(f)의 용접부 모양을 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅은 고에너지빔 용접에 해당하므로 고속 프린팅이 가능하지만, 높은 에너지밀도에 의해 용입 깊이가 깊어지기 때문에, 프린팅시 적층되는 각 단일층들은 레이저 출력 및 용접속도에 따라 키홀(key-hole)이 될 가능성이 크다.
DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅은 100 ㎛ ~ 1,000 ㎛ 범위의 두께를 갖는 단일층 용접부들을 연속 적층하는 공정이다. 따라서, 프린팅 공정은 일반 용접의 오버레이(overlay) 또는 클래딩(cladding) 기법과 동일하여 모재 침투 깊이가 얕고 침투 면적이 넓을수록 좋지만, 열원이 강한 초점화 레이저이기 때문에 용접부 표면이 평평하지 못할 수도 있다. 또한 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅은 용접시 용접부 및 열영향부(heat-affected zone)가 생성되며, 고출력 레이저빔 에너지와 높은 입열 온도로 인해 급냉으로 인한 용접부가 쉽게 취화되는 문제점이 있다.
도 3은 국내 기업이 일본 제품 금형 합금강에 대해 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅으로 제작한 프린팅부의 조직사진들이다. 상기 일본 제품 금형 합금강은 탄소(0.32 ~ 0.42 중량% C), 크롬(4.50 ~ 5.50 중량% Cr)을 포함한 합금강 SKD61(한국은 STD61에 해당 및 미국은 H13에 해당)이다. 도 3을 참조하면, DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅부는 일반 아크 용접부와 같이 열영향부를 가진 다층의 용접부 형상의 거시조직(macrostructure) (g) 및 미시조직(microstructure) (h 및 i)을 볼 수 있다. 본 프린팅부는 레이저빔을 빠른 속도 및 광폭으로 주사하면서 미세분말을 실시간으로 분사하여 키홀 형상은 아니더라도 용입 깊이가 있음을 알 수 있고, 용접부 조직은 마르텐사이트(martensite)의 경화 조직임을 볼 수 있다.
[표 2]
Figure 112015103552084-pat00002
또한 [표 2]는 원재료인 wrought SKD 61과 본 재료인 wrought SKD 61에 대한 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅을 한 후의 최대인장강도 및 연신율을 측정한 결과를 나타낸 표이다. [표 2]를 참조하면, 본 재료의 wrought SKD 61에 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅을 하였을 때, DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅부가 원재료의 wrought SKD 61에 비해 약 10 %의 최대인장강도 증가를 보였고, 연신율은 약 40 % 감소하였다. DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅은 고에너지 출력 및 높은 입열 온도에 의해 급냉을 유도하여 강도의 증가 및 연신율 감소를 발생시킴으로써 레이저빔이 열원으로 적합하지 않음을 알 수 있다.
[표 2]에서와 같이, DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅을 적용한 경우, 첫번째 단점은 프린팅을 할 때 용접에서의 용접절차(Welding Procedure)에서의 용접절차서 인증시험(Welding Procedure Qualification Test)에 해당하는 프린팅 인증시험을 사전에 수행하여 프린팅부의 실제 데이터를 얻고, 이를 활용하여 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅 설계를 해야한다.
DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅의 두번째 단점은 레이저빔의 주사와 동시에 20~100 ㎛ 정도의 미세금속분말을 분사시키기 위해 외부 영향을 받지 않도록 시스템의 안정화가 필요한 것이다. 모든 설비를 하나의 챔버 및 시스템 속에 구축해야 하므로 대형화 및 고정형으로만 가능하며 고가라는 문제점이 있다. 따라서 금속제품을 프린팅하기 위한 베드(bed) 크기가 한정될 수 밖에 없어 프린팅 제품의 크기도 제한된다.
PBF 기법은 제작 가능한 조형물의 최대 크기가 단면 기준으로 대략 25 cm X 25 cm로 제한되어 단순한 금속 시작품 제작에 적합한 반면, 현행 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅 기법으로 상용화된 가장 큰 프린팅 장치는 2 m X 1 m X 1 m 로 제한된다.
그러나, 만약 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅 장치가 소형화 및 이동화가 가능하고 장치의 크기도 다양해진다면, 모든 장소에서 프린팅이 가능하고 그 용도는 무궁무진할 수 있다.
본 발명의 목적은 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 조절이 가능한 아크 및 합금금속분말 코어 와이어를 이용한 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
다음과 같은 문제점들을 보완 및 제거하여 새로운 3차원 프린팅 방법을 제공하고, 본 기술을 적용하여 3차원 프린팅을 할 수 있는 장치의 개념을 제공하는 것이다.
첫째, 레이저빔 초점화 열원으로 인해 금속용융풀이 평평하지 못하고 깊은 용입을 가진다. 따라서 3차원 프린팅이 요구하는 오버레이와 같은 얕고 평평한 용접부, 즉, 프린팅부가 요구된다.
둘째, 탄소강의 3차원 프린팅 용접부는 급냉으로 인해, 저변태 생성물인 마르텐사이트 같은 금속조직이 발달한다. 이때, 조직의 경화로 인한 높은 강도로 쉽게 취화할 수 있고, 불순물 편석 및 결함도 발생할 수 있어 프린팅부의 건전성에 문제가 발생한다. 스테인레스강의 3차원 프린팅부는 크롬-탄화물의 석출 및 결정립의 수축으로 인한 결정입계 부식 및 결정입계 결함을 유도할 수 있으며, 기타 비철계 합금에서도 유사한 현상이 발생한다.
셋째, 용가재로 미세금속분말을 하향시켜 분사하므로, 항상 아래보기 자세로만 프린팅이 가능하며, 미세금속분말이므로 외부 영향을 쉽게 받을 수 있다. 따라서, 안정적 분사를 위해 3차원 프린팅 장치가 항상 챔버(chamber) 속에 있어야 하며, 대형화 및 고정화되어 이동이 어려운 문제점이 있으며, 한정된 베드크기로 인해 프린팅 제품의 크기가 제한된다.
따라서, 프린팅부 조직, 물성 및 용입 깊이를 다양화하고, 장소 제한 없이 소형화 및 이동형이 가능한, DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법은 (a) 접지선을 통해 3차원 프린팅부 조형물을 제1전극과 연결하고, 합금금속분말 코어 와이어의 둘레 표면에 전극 접촉 팁(tip)이 태핑(tapping)된 제2전극을 상기 조형물의 프린팅부 표면 일부와 접촉시킨 후, 상기 제1전극과 제2전극의 전위차에 의해 아크를 발생시켜 합금금속분말 코어 와이어의 선단과 프린팅부 표면을 동시에 용융시키는 단계; (b) 상기 합금금속분말 코어 와이어의 용융물과 프린팅부 표면의 용융물이 혼합되어 응고되면서 단일층을 형성하는 단계; 및 (c) 단일층 오버레이(overlay)를 연속적으로 수행하여 상기 단일층을 적층하는 단계;를 포함하고, 상기 (a)~(c) 단계는 불활성 가스 분위기에서 수행되며, 프린팅 프로그램, 전압조절기, 전류조절기, 와이어 송급 속도조절기 및 보호가스 조절기를 포함하는 직류 정전압 특성 전원 장치에 정보를 입력한 후, 상기 정보에 따라 프린팅 프로그램에 의해 아크 길이와 와이어 송급 속도가 자동으로 제어되고, 상기 정보는 전류크기 및 와이어 송급속도를 포함하고, 상기 프린팅부 표면의 입열량(Q)은 하기식을 따르는 것을 특징으로 한다.
114 J/cm≤입열량≤136 J/cm
입열량 = 아크 전압(V) x 아크 전류(A) ÷ 3차원 프린팅 건의 이동속도(cm/sec)
이때, 음전자(-)가 프린팅부 표면에서 합금금속분말 코어 와이어로 이동하고, 가스 이온(+)이 프린팅부 표면에 충돌하여 프린팅부 표면에 있는 피막을 제거하는 직류 역극성일 수 있다.
또한, 상기 아크의 길이는 2~10 mm일 수 있다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 장치는 프린팅 프로그램, 전압조절기, 전류조절기, 와이어송급 속도조절기 및 보호가스 조절기를 포함하는 직류 정전압 특성 전원 장치; 와이어 구동모터, 와이어 릴(reel)에 감겨진 합금금속분말 코어 와이어 및 상기 합금금속분말 코어 와이어를 공급하는 와이어 이송기 회전롤러를 포함하는 와이어 이송장치; 합금금속분말 코어 와이어, 불활성 가스관 및 상기 와이어의 양측에 위치한 불활성 가스관을 감싸는 3차원 프린팅 건을 포함하는 프린팅 건 장치; 상기 프린팅 건 장치 하부에 위치하고, 상기 와이어의 선단과 일부 접촉되는 3차원 프린팅부 조형물; 및 상기 직류 정전압 특성 전원 장치에 연결된 불활성 가스용기;를 포함하고, 상기 직류 정전압 특성 전원 장치에 정보를 입력한 후, 상기 정보에 따라 프린팅 프로그램에 의해 3차원 프린팅 건의 위치와 속도가 자동으로 제어되고, 상기 정보는 전류크기 및 와이어 송급속도를 포함하고, 상기 조형물의 프린팅부 표면의 입열량(Q)은 하기식을 따르는 것을 특징으로 한다.
114 J/cm≤입열량≤136 J/cm
입열량 = 아크 전압(V) x 아크 전류(A) ÷ 3차원 프린팅 건의 이동속도(cm/sec)
이때, 상기 3차원 프린팅 건은 상기 프린팅 건 장치 내부에 고정된 고정형의 3차원 프린팅 건 또는 작업자가 프린팅 건을 손으로 잡고(hand-held) 수동으로 작업할 수 있는 별도의 수동형의 3차원 프린팅 건일 수 있다.
또한, 상기 아크의 길이는 2~10 mm일 수 있다.
본 발명에 따른 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫번째, 프로그램에 의한 완전 자동화 및 선택의 유연화로 프린팅이 안정적이며, 능률적 및 고속으로 작업할 수 있다. 특히 소형화 및 이동형이 가능하여 장소에 제한적이지 않으며, 합리적인 가격의 보급형이 가능하다.
두번째, 아크 길이, 3차원 프린팅 건 이동속도를 다르게 함으로써, 프린팅부의 입열량(=아크 전압 x 아크 전류 ÷ 3차원 프린팅 건의 이동속도) 조절이 가능하다. 아크에 의한 프린팅은 입열량이 용융풀(molten pool)의 모양, 즉 프린팅부의 모양을 결정할 수 있다. 또한, 입열량이 냉각 속도를 결정하기 때문에 프린팅부 조직 및 기계적 물성을 조절할 수 있다.
세번째, 3차원 프린팅 건으로 프린팅하기 전 모재가 있을 경우, 모재의 화학적·물리적·기계적 성질에 따라 합금금속분말 코어 와이어의 화학적·물리적·기계적 성질을 동일하게 함으로써, 용접부는 모재와 화학적·물리적·기계적으로 균일할 수 있다. 그러나 모재의 화학적 성분, 물리적 성질 및 기계적 물성을 달리함으로써, 이종 금속 간 프린팅도 가능하다. 예를 들면, 이는 탄소강 용기 또는 구조물에 부식방지용으로 스테인레스 강을 2~3 mm 오버레이하거나, 적합한 합금을 오버레이할 수 있다.
네번째, 제품 제작 속도의 조절 및 프린팅부의 품질을 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 3차원 프린팅 건이 프로그램된 경로에 따라 프린팅 선 위를 직선으로 움직일 수 있고, 폭이 넓은 프린팅부를 얻기 위해 프린팅 선을 중심으로 지그-재그로 위빙(weaving)하며 이동할 수 있다. 또한, 프린팅부의 중앙은 프린팅부 폭의 양단보다 온도가 높으므로 양단에서는 프린팅 속도를 느리게 조절할 수도 있다. 또한, 응고시 수축으로 인한 프린팅부 변형을 방지하기 위해, 프린팅부 폭의 양단을 오버랩(overlap)시키며 프린팅할 수도 있다.
다섯번째, 프린팅 용접속도를 빠르게 할 수 있다. 용가재로 분말만을 주사하는 것이 아니고 합금금속분말 코어 와이어를 공급하므로 수동형 프린팅 건을 사용할 경우, 아래보기, 위보기, 수평, 수직 등 모든 자세로 프린팅이 가능하다. 합금금속분말 코어 와이어를 이용하기 때문에 아크가 안정적으로 형성되고, 아크 음이 조용하며, 상기 코어 형태의 와이어의 단면적을 따라 전류가 흐르므로 전류밀도가 높아 용융이 빠른 특징이 있다.
여섯번째, 고속으로 균일한 두께의 단일층들을 연속으로 적층할 수 있다.
직류전원은 아크 전류가 한 방향으로 흐르기 때문에 아크 형성이 안정적이고, 아크 전압을 조절하여 두께가 얇은 단일층을 오버레이하여 적층하기 때문에 균일한 두께로 적층할 수 있다. 연속으로 공급되는 코어 와이어에 열전달량이 많아 와이어 및 프린팅부의 용융 속도를 높일 수 있다.
일곱번째, 보호가스로 아르곤(Ar)을 사용하여 외부로부터의 유해물질의 유입을 방지하여 프린팅부의 품질을 좋게하며 와이어의 용융 속도를 보다 향상시킬 수 있다. 동일한 크기의 전류에서 아르곤 가스를 사용하는 경우, 아르곤 가스를 사용하지 않은 경우보다 상대적으로 더 많은 열을 발산하기 때문에 용융 속도를 높일 수 있다. 또한, 높은 용융 속도에 의해 더 많은 용융물이 이동할 수 있으며, 용융물 이동방식이 스프레이 형태이므로 높은 용접률을 얻을 수 있다.
여덟번째, 본 발명의 3차원 프린팅 장치는 레이저빔 프린팅 장치에 비하여 보수 유지가 쉽고, 시공이 편리한 효과가 있다. 또한, 프린팅부의 입열량을 조절할 수 있어 목표로 하는 금속학적 조직 및 기계적 물성의 프린팅부 생산이 가능하다.
아홉번째, 현장에서 프린팅을 할 경우, 주위 부품들로 인하여 프린팅을 위한 부위에 프린팅 장치의 접근이 어려운 곳에서는 프린팅 장치에서 손잡이(hand-held) 형태의 프린팅 건을 사용하여 작업자가 수동으로 프린팅 건을 이동시켜가며 프린팅할 수 있다. 이때는 프로그램에 따른 자동 프린팅이 아닌 수동으로 프린팅을 하되, 정전압 특성을 활용하여 수동 조작에 의해 아크 길이가 변해도 아크 전압이 변하지 않기 때문에, 일정 발열을 얻을 수 있어 용접부, 즉, 프린팅부의 품질을 향상시킬 수 있다.
열번째, 프린팅부 결함을 방지할 수 있는 효과도 있다.
상기 와이어를 + 극으로 하고, 모재(프린팅부)를 - 극으로 하는 직류 역극성으로 하고, + 이온 가스가 프린팅부 표면에 충돌하여 표면에 있는 산화막, 질화막 등을 제거하는 청정 작용을 할 수 있다. 또한, 아크 길이가 길면 아크 전압이 높아져서 프린팅부 용입이 얇고 폭이 넓어지며 평평한 프린팅부를 생산할 수 있다. 즉, 아크 길이를 조정하여 원하는 프린팅부 모양을 결정할 수 있다.
열한번째, 합금금속분말 코어 와이어의 내경이 크고 외경이 작을수록 튜브 와이어의 두께가 작으므로 용융 속도가 빨라 고속 프린팅 및 정밀 프린팅이 가능하다.
따라서 튜브 와이어의 내경, 외경 및 두께를 조절하여 프린팅 속도 및 용융 속도를 변화시킬 수 있다.
도 1은 7가지의 3차원 프린팅 기법 중에서 금속재료의 3차원 프린팅에 적용 하는 PBF 3차원 프린팅(a), DED 레이저빔 3차원 프린팅(b) 및 DED 레이저빔 3차원 프린팅과 기술적으로 동일 기법인 고에너지 레이저빔 금속분말 용접(c)의 개념도이다.
도 2는 가스용접(d), 아크용접(e) 및 DED 레이저빔 분말 3차원 프린팅과 기술적으로 동일 기법인 고에너지빔 용접(f) 별 용접부 모양을 나타낸 단면도이다.
도 3은 일본 제품 금형 합금강에 대해 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅으로 제작한 프린팅부의 조직사진들이다.
도 4는 본 발명의 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 합금금속분말 코어 와이어를 확대한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 프린팅 건 부분을 확대한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 아크 전류에 따른 아크 전압의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 낮은 아크 전압 및 높은 아크 전압에 따른 아크 길이와 아크폭을 도시한 것이다.
도 10은 전류타입, 합금금속분말 코어 와이어 극성에 따른 전자, 이온 흐름 방향 및 용입 깊이, 모양의 예를 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 수동형 손잡이 프린팅 건을 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명의 트레일러 위에 실려진 3차원 프린팅 장치의 본체 및 본체로부터 분리된 케이블 및 호스들이 릴에 감겨진 모습을 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 발명의 헬멧을 나타낸 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술 되어있는 도면 및 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하 에서 개시되는 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 아크 및 합금금속분말 코어 와이어를 이용한 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 7가지의 3차원 프린팅 기법 중에서 금속재료의 3차원 프린팅에 적용 하는 PBF 3차원 프린팅, DED 레이저빔 3차원 프린팅 및 DED 레이저빔 금속분말 3차원 프린팅과 기술적으로 동일 기법인 고에너지 레이저빔 금속분말 용접의 개념도이다.
DED 레이저빔 3차원 프린팅은 고에너지 레이저빔 금속분말 용접과 기술적으로 동일함을 알 수 있다.
도 2는 용접 방법에 따른 용접부 모양을 나타낸 단면도이다.
보다 구체적으로는, 도 2는 가스용접(d), 아크용접(e) 및 DED 레이저빔 분말 3차원 프린팅과 기술적으로 동일 기법인 고에너지빔 용접(f) 별 용접부 모양을 나타낸 단면도이다.
DED 레이저빔 3차원 프린팅은 고에너지 레이저빔 용접과 기술적으로 동일하므로 프린팅 용접부의 단위면적당 에너지밀도가 크고, 용접부의 용입깊이는 깊고, 용접속도는 빠르다는 것을 알 수 있다. 도 2의 (f)를 참조하면, DED 레이저빔 3차원 프린팅의 용접부 모양은 고에너지 빔으로 인하여 키홀과 같은 형상을 가지는 것을 알 수 있다.
또한, 도 2의 용접부 모양을 비교해보면, (d), (e), (f) 중 (d)가 에너지 밀도가 가장 낮고, 용입깊이가 얕고, 용접속도가 느린 것을 알 수 있다.
도 3은 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅을 수행한 일본 제품 금형 합금강의 프린팅부의 거시조직(macro-structure) 및 미시조직(micro-structure)을 관찰한 것이다.
도 3의 (g)을 참조하면, 거시조직은 일반 다층용접과 같이 다층의 프린팅부 및 각 프린팅부마다 열영향부를 볼 수 있다. DED 레이저빔 분말 3차원 프린팅부는 레이저빔이 한곳에 머무는 시간이 짧고 광폭으로 운행하기에 때문에, 프린팅 용입깊이는 깊은 것을 알 수 있다. 따라서 DED 레이저빔 3차원 합금금속분말 프린팅 방법으로는 높은 열밀도 및 높은 온도로 일반 오버레이 용접과 같은 평평한 용접부를 얻을 수 없음을 알 수 있다. (h), (i)를 참조하면, 미시 조직은 마르텐사이트 (martensite)의 경화 조직을 가진다는 것을 알 수 있는데, 이는 레이저 빔의 높은 온도 및 열량으로 급냉으로 인한 조직강화에서 온 것이다.
도 4는 본 발명의 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 장치의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 장치는 직류 정전압 특성 전원 장치(30); 와이어 이송장치(50); 프린팅 건 장치(70); 3차원 프린팅부 조형물(71); 및 불활성 가스용기(40); 를 포함한다.
직류 정전압 특성 전원 장치(30)
직류 정전압 특성 전원 장치(30)는 프린팅 프로그램(36), 전압조절기(31), 전류조절기(32), 와이어송급 속도조절기(33) 및 보호가스 조절기(34)를 포함한다.
상기 직류 정전압 특성 전원 장치에 정보를 입력한 후, 상기 정보에 따라 프린팅 프로그램에 의해 3차원 프린팅 건의 위치와 속도가 자동으로 제어될 수 있다. 상기 정보는 전류크기, 와이어 송급속도 및 보호가스 이동속도 등을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는, 자동 및 연속적으로 3차원 프린팅이 가능하도록 3차원 CAD 모델 또는 기타 프로그램 모델로부터 산출된 입력 데이터 및 경로에 따라 각종 액츄에이터들을 구동할 수 있도록 소프트웨어 프로그램, 위치결정 프로그램(Motion-Control Positioning Program) 및 기타 프로그램들이 프린팅 프로그램(36)에 탑재될 수 있다.
와이어 이송장치(50)
와이어 이송장치(50)는 와이어 구동모터(53), 와이어 릴(reel)(52)에 감겨진 합금금속분말 코어 와이어(51) 및 상기 합금금속분말 코어 와이어를 공급하는 와이어 이송기 회전롤러(54)를 포함한다.
합금금속분말 코어 와이어(51)는 와이어 릴(52)에 감겨있으며, 와이어 이송을 위한 구동모터 및 회전롤러를 통해 프로그램된 속도로 3차원 프린팅 건(76)으로 공급된다. 와이어 이송기 회전롤러를 통해 합금금속분말 코어 와이어가 공급될 때, 와이어는 프로그램에 따른 와이어 이송기의 회전 롤러의 회전 속도에 따라 공급속도가 변하도록 하되, 와이어의 공급속도는 프린팅 속도 변화에도 일정한 아크 길이를 유지하도록 하여, 와이어의 공급 속도가 자동으로 조절되도록 할 수 있다.
본 발명의 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 장치는 제1전극과 제2전극의 전위차에 의한 아크가 발생할 수 있다. 보다 구체적으로는, 접지선을 통해 3차원 프린팅부 조형물을 제1전극과 연결하고, 합금금속분말 코어 와이어를 용가재, 즉, 제2전극으로 구성한다. 용가재가 제2전극 역할을 하기 위해 분말이 아닌 와이어 형태로 하되, 솔리드(solid) 와이어가 아닌 얇은 튜브 형태의 와이어 속에 미세금속분말, 즉, 합금금속분말(19)을 채워 합금금속분말 코어 와이어를 형성할 수 있다.
합금금속분말 코어 와이어(alloy metal powder cored wire)는 외피(51a) 및 합금금속분말(19)을 포함한다. 상기 합금금속분말 코어 와이어는 아크를 발생시키기 위한 제2전극으로 활용될 뿐만 아니라 용가재로도 이용되는 이중 목적을 가진다.
도 6을 참조하면, 프린팅의 정밀도에 따라 합금금속분말 코어 와이어의 내경(D2) 및 외경(D1), 합금금속분말의 크기도 달리할 수 있으며, 이때 와이어를 공급하는 와이어 이송기 회전롤러 간 간극 및 3차원 프린팅 건의 내경은 합금금속분말 코어 와이어 외경에 따라 조절될 수 있다.
또한, 합금금속분말 코어 와이어는 프린팅하고자 하는 금속소재 성분에 따라 외피 및 합금금속분말의 성분을 달리할 수 있다. 합금금속분말 코어 와이어는 탄소강(Carbon steel), 스테인레스강(Stainless steel), 니켈 합금(nickel alloy) 및 알루미늄 합금(aluminum alloy) 등 상용하는 모든 합금금속을 외피와 합금금속분말로 사용할 수 있다.
외피 및 합금금속분말 성분은 동일할 수도 있고, 프린팅하여 얻고자 하는 프린팅부의 물성에 따라 외피와 합금금속분말의 성분을 달리하여 합금화할 수 있다. 아크 형성을 안정화시키기 위해 상기 합금금속분말 코어 와이어에 소량의 나트륨(Na) 및 칼륨(K)을 혼합할 수 있다.
적용성에 따라 프린팅으로 용접하기 전 모재가 있을 경우, 모재의 화학적· 물리적·기계적 성질에 따라 합금금속분말 코어 와이어의 성분을 조절하여 화학적·물리적·기계적 성질을 동일하게 할 수 있으며, 프린팅부는 모재와 물리적·화학적·기계적으로 균일하게 할 수 있다. 이는 보수가 요구되는 모재 위에 프린팅으로 보수를 할 경우에 해당할 수 있다.
그러나 모재의 성분과 합금금속분말 코어 와이어의 성분을 달리하여 이종 금속 간 프린팅도 가능하다. 이는 탄소강 용기 또는 구조물에 부식방지용으로 스테인레스 강을 2~3 mm 오버레이하거나, 또는 이에 적합한 합금을 오버레이할 수 있다.
전류는 외피(51a)를 따라 흐르는데, 상기 외피(51a)가 얇기 때문에 전류 밀도가 높아 용융 속도가 높을 수 있다. 따라서, 동일 전류를 보낼 때 솔리드 와이어보다 합금금속분말 코어 형태, 즉, 튜브 형태의 와이어가 용융효율이 더 높아, 레이저빔 DED 기법에서 사용하는 합금금속분말과 같이 높은 프린팅률 및 적층 효율을 가질 수 있다. 즉, 합금금속분말 코어 와이어의 내경(D2)이 크고 외경(D1)이 작을수록 외피(51a)의 두께가 얇아지므로 용융 속도가 빨라 고속 프린팅 및 정밀 프린팅이 가능하다. 와이어의 외경은 1/32 inch ~ 1/8 inch 범위를 가질 수 있으나, 특수목적을 고려하여 외경의 범위를 조절할 수 있다.
따라서, 튜브 와이어의 내경, 외경의 두께를 조절하여 프린팅 속도 및 용융 속도를 변화시킬 수 있다.
프린팅 건 장치(70) 및 3차원 프린팅부 조형물(71)
프린팅 건 장치(70)은 합금금속분말 코어 와이어(51), 불활성 가스관(74) 및 상기 와이어의 양측에 위치한 불활성 가스관을 감싸는 3차원 프린팅 건(76)을 포함한다.
3차원 프린팅부 조형물(71)은 상기 프린팅 건 장치(70) 하부에 위치하고, 상기 와이어의 선단과 일부 접촉된다.
도 4 및 도 7을 참조하면, 3차원 프린팅을 위한 열원인 아크를 발생하기 위하여 모재, 즉, 3차원 프린팅부 조형물을 음전기(-)로 하는 제1전극과 연결시킨다. 합금금속분말 코어 와이어에 양전기(+)의 전극 접촉 팁(72a)을 태핑(taping)하여 제2전극으로 할 수 있다. 제1전극인 3차원 프린팅부 조형물의 프린팅부 표면과 제2전극을 순간 접촉한 후 일정간격을 유지시킴으로써, 상기 두 전극의 전위차에 의해 아크가 발생토록 한다.
불활성 가스용기(40)
불활성 가스용기(40)는 상기 직류 정전압 특성 전원 장치에 연결된다.
도 4 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 3차원 프린팅은 프린팅부의 품질을 향상시키기 위하여 보호 가스를 사용하여 외부와 차단할 수 있다. 보호 가스는 순도 99.99 %의 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He)과 같은 불활성 가스를 선택적으로 사용할 수 있다.
동일한 크기의 전류에서 아르곤 가스를 사용하는 경우, 아르곤 가스를 사용하지 않은 경우보다 상대적으로 더 많은 열을 발산하기 때문에 용융 속도를 높일 수 있다. 또한, 높은 용융 속도에 의해 더 많은 용융물이 이동할 수 있으며, 용융물 이동방식이 스프레이 형태이므로 높은 용접률을 얻을 수 있다.
일체형 3차원 프린팅 장치는 직류 정전압 특성 전원장치, 와이어 이송장치 및 불활성가스 용기, 3차원 프린팅 건, 관련 케이블 및 공급가스관 등 구성품 모두를 프린팅 건 장치(70) 속에 둘 수 있다. 프린팅 건 장치에는 아크 및 3차원 프린팅 건의 이동을 관찰할 수 있도록 아크 및 3차원 프린팅 건 주위에 자외선 차단용 유리벽을 설치할 수 있다. 유리벽을 열고 직접 관찰할 경우에는 개인용 얼굴보호 헬멧이 필요할 수 있으며, 프린팅 건 장치에 보관함을 설치하여 헬멧을 보관할 수 있다.
분리형은 사용 조건에 따라 일체형 구성품 중 3차원 프린팅 건, 관련 케이블 및 공급가스관 만을 분리시켜 활용할 수 있도록 한다. 분리형은 소프트웨어 프로그램 명령에 따라 3차원 프린팅 건의 이동속도가 변하며, 전후 좌우로 자유 이동할 수 있도록 하거나, 소프트웨어 프로그램 명령없이 수동으로 프린팅할 수 있다. 분리형은 특히 일체형 프린팅 장치가 접근이 어려운 곳에 긴 전류 케이블로 연결된 프린팅 건만을 이동시켜 사용이 가능한데, 이때 분리 구성품들은 3차원 프린팅부 조형을 위하여 프린팅하고자 하는 곳에 고정시켜 프로그램 경로에 따라 프린팅 건이 자유자재로 이동하며 프린팅할 수 있도록 고정형으로 할 수 있고, 또한 수동형(hand-held)으로 할 수도 있다.
분리형의 3차원 프린팅 장치의 경우, 개인용 얼굴보호 헬멧이 필요하다.
본 프린팅 장치는 열원이 아크이므로 레이저빔 프린팅 장치에 비하여 보수 유지가 쉽고, 시공이 편리하며, 프린팅부의 입열량을 조절할 수 있어 원하는 금속학적 조직 및 기계적 물성의 프린팅부 생산이 가능하다.
또한, 본 발명의 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 장치는 아크를 열원으로 하고 불활성가스를 사용하므로 흄(fume) 처리는 고려하지 않아도 되나, 필요에 따라 흄 이동통로를 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 사용자는 2차원 도면으로 생산한 3차원 CAD (Computer Aided Design) 프로그램 및 프린팅을 위해, 직류 정전압 특성 전원 장치에 정보를 입력을 한다. 인간-기계 인터페이스(man-machine interface)를 거쳐 3차원 프린팅 장치는 프로그램을 제어하고 각종 액츄에이터들을 구동시키며, 로봇처럼 자동으로 이행하여 입력된 정보에 따라 3차원 프린팅을 할 수 있다. 프로그램으로 입력할 정보는 전류 및 전압 크기, 와이어 송급속도 및 보호가스 이동속도를 포함할 수 있으며, CAD 프로그램, 프린팅 건의 경로 행적정보, 정전압특성 정보 등을 더 포함할 수 있다.
입력된 정보에 따라 3차원 프린팅에서 2차원의 단면에 해당하는 금속 단일층 높이의 정밀도에 영향을 주는 공정 변수들을 실시간으로 제어하여 매우 정밀한 두께의 금속 단일층이 만들어지게 할 수 있으며, 단일층 별로 반복 적층하여 3D CAD 모델과 동일한 금속 제품을 제작할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법은 (a) 접지선을 통해 3차원 프린팅부 조형물을 제1전극과 연결하고, 합금금속분말 코어 와이어의 둘레 표면에 전극 접촉 팁(tip)이 태핑된 제2전극을 상기 조형물의 프린팅부 표면 일부와 접촉시킨 후, 상기 제1전극과 제2전극의 전위차에 의해 아크를 발생시켜 합금금속분말 코어 와이어의 선단과 프린팅부 표면을 동시에 용융시키는 단계; (b) 상기 합금금속분말 코어 와이어의 용융물과 프린팅부 표면의 용융물이 혼합되어 응고되면서 단일층을 형성하는 단계; (c) 단일층 오버레이(overlay)를 연속적으로 수행하여 상기 단일층을 적층하는 단계; 를 포함한다.
상기 (a)~(c) 단계는 전술한 바와 같이 순도 99.99 %의 불활성 가스 분위기에서 수행될 수 있다.
또한, 프린팅 프로그램, 전압조절기, 전류조절기, 와이어 송급 속도조절기 및 보호가스 조절기를 포함하는 직류 정전압 특성 전원 장치에 정보를 입력한 후, 상기 정보에 따라 프린팅 프로그램(36)에 의해 아크 길이와 와이어 송급 속도가 자동으로 제어될 수 있다.
상기 정보는 전술한 바와 같이, 전류 크기 및 와이어 송급속도 이외에도 보호가스 이동속도등을 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 직류 정전압 특성 전원 장치의 전류조절기를 통해 대략 35~90A의 전류 크기를 입력하면, 상기 전류 크기에 따라 프린팅 프로그램이 작동한다. 이때, 프린팅 프로그램(36)은 직류 정전압 특성에 따라 아크 전압을 13~17 V의 범위에서 자동으로 결정할 수 있다. 또한, 와이어 송급 속도는 2~8 m/min의 범위, 보호가스의 유량은 5~10 L/min의 범위에서 자동으로 결정할 수 있다. 이때, 아크 길이는 대략 2~10 mm로 조절될 수 있다.
만약, 와이어의 송급 속도와 보호가스의 유량 등을 낮추거나 높이고 싶다면, 와이어 송급 속도 조절기, 보호가스 조절기 등을 통해 수동으로 조절할 수 있다.
또한, 합금금속분말 코어 와이어는 전술한 바와 같을 수 있다.
이때, 음전자(-)가 프린팅부 표면에서 합금금속분말 코어 와이어로 이동하고, 가스 이온(+)이 프린팅부 표면에 충돌하여 프린팅부 표면에 있는 피막을 제거하는 직류 역극성일 수 있다.
도 10의 (k)를 참조하면, 직류 역극성은 와이어를 +극으로 하고, 프린팅부를 -극으로 할 수 있다. 음전자가 모재 혹은 프린팅부에서 합금금속분말 코어 와이어 전극으로 이동하면서, 연속으로 공급되는 합금금속분말 코어 와이어의 용융 속도가 향상되어 고속으로 프린팅이 될 수 있다. 3차원 프린팅은 두께가 얇은 단일층들을 오버레이하여 적층하는 것이므로 아크에 의하여 전 층의 용입이 얕고 폭이 넓은 가장 바람직한 3차원 프린팅부를 생산할 수 있다. 또한 직류 역극성은 +이온 가스가 프린팅부 표면에 충돌하여 표면에 있는 산화막, 질화막 등을 제거하는 청정 작용을 하므로 프린팅부 결함을 방지할 수 있는 효과도 있다.
도 10의 (j)는 직류 정극성일 때의 전자, 이온의 흐름 및 용입 깊이, 모양을 나타낸 단면도이다. 직류 정극성은 와이어를 -극으로 하고, 프린팅부를 +극으로 할 수 있다. 전자의 이동은 와이어에서 모재로 이동할 수 있다. 직류 정극성은 고속도를 갖는 전자가 전극으로부터 모재에 충돌하기 때문에 용입 깊이가 깊고 프린팅부의 폭이 좁은 특징이 있다.
도 10의 (l)은 교류일 때 전자, 이온의 흐름 및 용입 깊이, 모양을 나타낸 단면도이다. 전자와 이온의 와이어와 모재를 이동하면서 프린팅 될 수 있으며, 직류 정극성일 때 보다는 용입 깊이가 얕을 수 있다.
도 9를 참조하면, 합금금속분말 코어 와이어 선단과 프린팅부 표면 간의 간극은 아크 길이를 나타낸다. 도 9의 (b)에서는 아크 길이(78a)가 길면 아크 전압이 높아지기 때문에, 프린팅부 용입이 얇고 아크 폭(78b)이 넓어지며 평평한 프린팅부를 생산할 수 있다. 반대로, 도 9의 (a)에서는 아크 길이(78a)가 짧아지면서 아크 폭(78b)이 좁아질 수 있다.
아크 길이와 아크에 의한 발열량은 정비례하므로 와이어 공급 속도를 조절하여 아크 길이(78a) 및 아크 폭(78b)을 조절하여 프린팅부의 모양을 조절할 수도 있다.
보다 구체적으로는, 상기 아크의 길이는 2~10 mm인 것이 바람직하다.
아크의 길이가 2 mm 미만일 경우, 프린팅부의 모양이 키홀 형태로 형성될 수 있으며, 반대로 아크의 길이가 10 mm를 초과할 경우, 아크에 의한 용융 과정이 제대로 수행되지 않으며, 아크 스패터(spatter) 발생으로 프린팅부의 품질이 저하될 수 있다.
또한, 아크 길이를 고려하여 아크 전압을 조절하고, 3차원 프린팅 건의 이동 속도를 조절할 수 있다. 3차원 프린팅 건의 이동속도에 의해, 프린팅부의 입열량(= (아크 전압(V) x 아크 전류(A)) ÷ 3차원 프린팅 건의 이동속도(cm/sec))을 조절하여, 용융풀(molten pool)의 모양, 즉 프린팅부의 모양을 결정하고, 입열량에 따라 냉각 속도를 결정하기에 프린팅부 조직 및 강도를 결정할 수 있다.
상기 프린팅부 표면의 입열량(Q)은 114 J/cm≤입열량≤136 J/cm인 것이 바람직하다.
입열량이 114 J/cm 미만일 경우, 용입의 깊이가 얕고 프린팅부 조직 및 강도가 불균일할 수 있다. 반대로, 입열량이 136 J/cm을 초과할 경우, 프린팅부 모양이 키홀형태로 형성될 수 있으며, 프린팅부 조직의 품질이 저하될 수 있다.
3차원 프린팅 건이 프로그램된 경로에 따라 프린팅 선 위를 직선으로 움직이거나 폭이 넓은 프린팅부를 얻기 위하여 프린팅 선을 중심으로 지그- 재그로 위빙(weaving)하며 이동시켜 진행할 수도 있다. 프린팅시 프린팅부의 중앙은 프린팅부 폭의 양단보다 온도가 높으므로 양단에서는 프린팅 속도를 느리게 조절할 수도 있고, 응고시 수축으로 인하여 프린팅부 변형을 방지하기 위하여 폭 양단을 오버랩(overlap)시키며 프린팅할 수도 있어, 제품 제작 속도의 조절 및 프린팅부의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 부하전류가 변하여도 단자전압은 거의 변하지 않는 정전압 특성 곡선임을 알 수 있다. 본 발명의 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅은 직류 전원 장치를 구비하므로 사용에 안전하며 구조가 간단하다. 또한, 소음이 적으며, 전류가 한 방향으로 흐르기 때문에 아크 형성이 안정적이고, 부하가 변동하여도 정전압을 일정하게 유지하므로 고속으로 균질한 두께의 단일층을 연속으로 적층할 수 있는 장점이 있다.
도 11은 고정형 3차원 프린팅 건 대신에 작업자가 프린팅 건을 손으로 잡고(hand-held) 작업할 수 있도록 하는 수동형 3차원 프린팅 건(76a)을 도시한 것이다. 작업자가 수동으로 3차원 프린팅 건을 이동시켜가며 자유자재로 프린팅할 수 있다. 이 경우, 수작업으로 인해 프린팅 중 아크 길이가 변할 수 있으나, 정전압 특성으로 아크 길이가 변해도 전압이 변하지 않으므로 일정 발열을 얻을 수 있어 양질의 품질 프린팅부를 얻을 수 있다. 이때는 3차원 프린팅을 위하여 작업자는 개인용 얼굴보호 헬멧(77)을 쓰고 프린팅을 할 수 있다.
수동형 3차원 프린팅 건은 본 발명의 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅과 같이 합금금속분말 코어 와이어를 공급하므로, 일체형, 분리형, 고정형 및 이동형에 무관하게 아래보기, 위보기, 수평, 수직 등 전 자세 프린팅이 가능하다는 장점이 있다.
전술한 바와 같이, 수동형 3차원 프린팅 건은 수동으로 프린팅을 할 수 있기 때문에, 작업의 용이성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 상기 3차원 프린팅 건은 상기 프린팅 건 장치 내부에 고정된 고정형의 3차원 프린팅 건 또는 작업자가 프린팅 건을 손으로 잡고(hand-held) 수동으로 작업할 수 있는 별도의 수동형의 3차원 프린팅 건일 수 있다.
도 12는 본 발명의 트레일러 위에 실려진 3차원 프린팅 장치의 본체 및 본체로부터 분리된 케이블 및 호스들이 릴에 감겨진 모습을 나타낸 단면도이다.
도 12를 참조하면, 이동이 필요할 때 와이어 이송장치(50)와 함께 3차원 프린팅 건, 케이블 및 호스 등을 보관 공간(100)에 실어 원하는 곳까지 이동시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 장치는 완전 자동화 및 선택의 유연화로 작업자의 프린팅 능력에 관계없이 안정적이며 능률적 및 고속으로 작업할 수 있다. 아크 형성이 안정적이며 우수한 3차원 프린팅이 가능하고, 특히 소형화 및 이동형이 가능하여 현장 및 샵 어디에서나 적용할 수 있고, 합리적인 가격의 보급형이 가능할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
11: 레이저 시스템 51 : 합금금속분말 코어 와이어
12 : 스캐너 시스템 52 : 와이어 릴
13 : 분말 통 53 : 와이어 구동모터
14 : 사용하지 않은 분말 54 : 와이어 이송기 회전 롤러
15 : 3차원 프린팅 60 : 케이블 및 관 어셈블리
16 : 기초 판 61 : 와이어공급 모터 및 아크 스위치
17 : 기초 판 하강 피스톤 62 : 프린팅 전력선
18 : 레이저 빔 63 : 보호가스 공급선
19 : 합금금속분말 64 : 프린팅 프로그램 이송 회로
20 : 보호가스 70 : 프린팅 건 장치
21 : 3차원 프린팅 융착재 71 : 3차원 프린팅부 조형물
22 : 모재 침투 깊이 72 : 제1전극
23 : 용융 풀 73 : 제2전극
24 : 모재 74 : 불활성가스 관
25 : 용접 용착재 75 : 프린팅 프로그램선
30 : 직류 정전압 특성 전원 76 : 3차원 프린팅 건
31 : 전압 조절기 77 : 헬멧
32 : 전류 조절기 78 : 아크
33 : 와이어 송급속도 조절기 81 : 손잡이
34 : 보호가스 조절기 82 : 방아쇠
35 : 직류 극성 조절기 91 : 케이블 및 호스 걸치대
36 : 프린팅 프로그램 100 : 보관 공간
40 : 불활성가스 용기
41 : 가스메터
42 : 레귤레이터
43 : 전기입력
44 : 접지선
50 : 와이어 이송장치

Claims (6)

  1. 아크(arc) 및 합금금속분말 코어 와이어(alloy metal powder cored wire)를 이용한 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법에 있어서,
    (a) 접지선을 통해 3차원 프린팅부 조형물을 제1전극과 연결하고, 합금금속분말 코어 와이어의 둘레 표면에 전극 접촉 팁(tip)이 태핑(tapping)된 제2전극을 상기 조형물의 프린팅부 표면 일부와 접촉시킨 후, 상기 제1전극과 제2전극의 전위차에 의해 아크를 발생시켜 합금금속분말 코어 와이어의 선단과 프린팅부 표면을 동시에 용융시키는 단계;
    (b) 상기 합금금속분말 코어 와이어의 용융물과 프린팅부 표면의 용융물이 혼합되어 응고되면서 단일층을 형성하는 단계; 및
    (c) 단일층 오버레이(overlay)를 연속적으로 수행하여 상기 단일층을 적층하는 단계;를 포함하고,
    상기 (a)~(c) 단계는 불활성 가스 분위기에서 수행되며,
    프린팅 프로그램, 전압조절기, 전류조절기, 와이어 송급 속도조절기 및 보호가스 조절기를 포함하는 직류 정전압 특성 전원 장치에 정보를 입력한 후, 상기 정보에 따라 프린팅 프로그램에 의해 아크 길이와 와이어 송급 속도가 자동으로 제어되고,
    상기 정보는 전류크기 및 와이어 송급속도를 포함하고,
    상기 합금금속분말 코어 와이어는 튜브 형태의 와이어 속에 합금금속분말을 채워 형성되고,
    상기 프린팅부 표면의 입열량(Q)은 하기식을 따르는 것을 특징으로 하는 프린팅 방법.
    114 J/cm≤입열량≤136 J/cm
    입열량 = 아크 전압(V) x 아크 전류(A) ÷ 3차원 프린팅 건의 이동속도(cm/sec)
  2. 제1항에 있어서,
    음전자(-)가 프린팅부 표면에서 합금금속분말 코어 와이어로 이동하고, 가스 이온(+)이 프린팅부 표면에 충돌하여 프린팅부 표면에 있는 피막을 제거하는 직류 역극성인 것을 특징으로 하는 프린팅 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아크의 길이는 2~10 mm인 것을 특징으로 하는 프린팅 방법.
  4. 아크 및 합금금속분말 코어 와이어를 이용한 DED 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 장치에 있어서,
    프린팅 프로그램, 전압조절기, 전류조절기, 와이어송급 속도조절기 및 보호가스 조절기를 포함하는 직류 정전압 특성 전원 장치;
    와이어 구동모터, 와이어 릴(reel)에 감겨진 합금금속분말 코어 와이어 및 상기 합금금속분말 코어 와이어를 공급하는 와이어 이송기 회전롤러를 포함하는 와이어 이송장치;
    합금금속분말 코어 와이어, 불활성 가스관 및 상기 와이어의 양측에 위치한 불활성 가스관을 감싸는 3차원 프린팅 건을 포함하는 프린팅 건 장치;
    상기 프린팅 건 장치 하부에 위치하고, 상기 와이어의 선단과 일부 접촉되는 3차원 프린팅부 조형물; 및
    상기 직류 정전압 특성 전원 장치에 연결된 불활성 가스용기;를 포함하고,
    상기 직류 정전압 특성 전원 장치에 정보를 입력한 후, 상기 정보에 따라 프린팅 프로그램에 의해 3차원 프린팅 건의 위치와 속도가 자동으로 제어되고,
    상기 정보는 전류크기 및 와이어 송급속도를 포함하고,
    상기 합금금속분말 코어 와이어는 튜브 형태의 와이어 속에 합금금속분말을 채워 형성되고,
    상기 조형물의 프린팅부 표면의 입열량(Q)은 하기식을 따르는 것을 특징으로 하는 프린팅 장치.
    114 J/cm≤입열량≤136 J/cm
    입열량 = 아크 전압(V) x 아크 전류(A) ÷ 3차원 프린팅 건의 이동속도(cm/sec)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 3차원 프린팅 건은 상기 프린팅 건 장치 내부에 고정된 고정형의 3차원 프린팅 건 또는 작업자가 프린팅 건을 손으로 잡고(hand-held) 수동으로 작업할 수 있는 별도의 수동형의 3차원 프린팅 건인 것을 특징으로 하는 프린팅 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 아크의 길이는 2~10 mm인 것을 특징으로 하는 프린팅 장치.
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Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106238731A (zh) * 2016-09-28 2016-12-21 深圳市首熙机械设备有限公司 一种混合金属3d立体打印技术
KR101812609B1 (ko) * 2017-06-29 2018-01-30 유일고무 주식회사 웨더스트립 성형용 금형 코어의 제조방법
WO2018151548A1 (ko) * 2017-02-15 2018-08-23 이이엘씨이이주식회사 고분자 복합 재료를 활용한 3d 입체물 제조 로봇 시스템
JP2018150592A (ja) * 2017-03-14 2018-09-27 株式会社ソディック 積層造形装置
KR20190012612A (ko) * 2017-07-28 2019-02-11 옥은택 3차원 금속 프린팅 시스템
KR20190053472A (ko) * 2017-11-10 2019-05-20 김선호 보호가스 냉각형 아크 수축노즐을 이용한 3d프린터의 냉각 시스템
WO2019182989A1 (en) * 2018-03-19 2019-09-26 Digital Alloys Incorporated Apparatuses, methods and systems for printing three-dimensional objects
KR20190140520A (ko) * 2018-05-29 2019-12-20 비즈 주식회사 입체 조형물을 제작하는 3d 프린팅 장치 및 방법
KR20190140523A (ko) * 2018-05-30 2019-12-20 비즈 주식회사 이형 용가재를 사용하는 고적층율 금속 3d 아크 프린터
WO2020033337A1 (en) * 2018-08-07 2020-02-13 Digital Alloys Incorporated Wire force sensor for wire feed deposition processes
RU2725483C1 (ru) * 2019-08-27 2020-07-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Способ послойной 3D-печати изделий из металла за счёт явления шнурования тока
KR102232387B1 (ko) 2020-11-23 2021-03-26 (주)에스와이메탈 3ｄ 적층법을 이용한 동합금 프로펠러의 제조방법
RU2778390C1 (ru) * 2021-09-08 2022-08-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Способ объёмной 3D-печати посредством создания расплава в заданной области пространства за счёт явления шнурования тока
CN115555683A (zh) * 2022-08-11 2023-01-03 南京联空智能增材研究院有限公司 一种铝合金模具电弧增材方法
KR102487431B1 (ko) * 2021-07-14 2023-01-11 한국생산기술연구원 와이어 아크 3d 적층법으로 제조한 알루미늄 다이캐스팅 금형의 제조방법
KR20230112971A (ko) 2022-01-21 2023-07-28 부산대학교 산학협력단 고품질 금속 적층 제조품의 처리방법
US11813690B2 (en) 2014-12-12 2023-11-14 Relativity Space, Inc. Systems for printing three-dimensional objects
US11853033B1 (en) 2019-07-26 2023-12-26 Relativity Space, Inc. Systems and methods for using wire printing process data to predict material properties and part quality

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3408047B8 (en) 2016-01-27 2022-08-17 H.C. Starck Inc. Fabrication of high-entropy alloy wire and multi-principal element alloy wire for additive manufacturing
ES2845692T3 (es) * 2016-12-22 2021-07-27 Outokumpu Oy Método de fabricación de un compuesto multicapa de metal-polímero soldable
US10688588B2 (en) * 2017-06-12 2020-06-23 Raytheon Technologies Corporation Continuous feed spindle attachment
CN107130239B (zh) * 2017-06-28 2019-12-31 苏州大学 局部气氛保护金属或合金激光熔覆成形的方法
CN107584116A (zh) * 2017-08-10 2018-01-16 常兆芹 电阻焊式金属三维打印机及其使用方法
US10576588B2 (en) 2017-09-05 2020-03-03 S L Chasse Welding & Fabricating, Inc. Fabrication layout device and method
WO2019246308A1 (en) * 2018-06-20 2019-12-26 Digital Alloys Incorporated Multi-diameter wire feeder
US11179808B1 (en) * 2018-07-11 2021-11-23 Rosemount Aerospace Inc. System and method of additive manufacturing
US11313243B2 (en) 2018-07-12 2022-04-26 Rolls-Royce North American Technologies, Inc. Non-continuous abradable coatings
CN108971490A (zh) * 2018-08-13 2018-12-11 常兆芹 第二代电阻焊式三维打印机及其使用方法
CN111085752A (zh) * 2018-10-24 2020-05-01 叶均蔚 以合金粉末作为焊接填料的焊接方法
AT522980B1 (de) * 2019-10-07 2022-06-15 Univ Wien Tech VORRICHTUNG ZUM AUFTRAGSSCHWEIßEN
USD1002416S1 (en) 2020-01-14 2023-10-24 Donner Nicholas J Marker device for use with a CNC layout table

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11504861A (ja) * 1995-05-05 1999-05-11 アレクサンダー ビンツェル ゲーエムベーハー ウント ツェーオー． カーゲー 非消耗電極を有するアーク溶接トーチあるいは切断トーチ用ガスレンズハウジング
JPH11151577A (ja) * 1997-11-17 1999-06-08 Babcock Hitachi Kk Ｔｉｇアーク溶接装置
US8604390B2 (en) * 2004-10-13 2013-12-10 Hobart Brothers Company Weld wire electrode for gas metal arc welding
JP4614223B2 (ja) * 2005-02-17 2011-01-19 株式会社神戸製鋼所 異材接合用溶加材及び異材接合方法
JP2011151577A (ja) * 2010-01-21 2011-08-04 Panasonic Corp 撮像装置
GB2489493B (en) * 2011-03-31 2013-03-13 Norsk Titanium Components As Method and arrangement for building metallic objects by solid freeform fabrication
KR20120128171A (ko) * 2011-05-09 2012-11-27 김한식 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄
CN202239628U (zh) * 2011-08-22 2012-05-30 华南理工大学 一种选区激光熔化制备非线性树状吸液芯装置
CN103862177B (zh) * 2014-03-13 2016-08-24 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所 激光-gma电弧复合热源填丝焊接方法
KR20150117105A (ko) * 2014-04-09 2015-10-19 주식회사 쓰리디매트릭스 아크용접을 이용한 3d 프린터
CN104526171B (zh) * 2014-11-04 2016-10-12 南方增材科技有限公司 金属构件电熔成形方法
CN104668564A (zh) * 2015-03-09 2015-06-03 周红 一种3d打印设备及用金属丝为原材料的3d打印成形方法

Cited By (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11813690B2 (en) 2014-12-12 2023-11-14 Relativity Space, Inc. Systems for printing three-dimensional objects
CN106238731A (zh) * 2016-09-28 2016-12-21 深圳市首熙机械设备有限公司 一种混合金属3d立体打印技术
CN106238731B (zh) * 2016-09-28 2018-07-13 深圳市首熙机械设备有限公司 一种混合金属3d立体打印装置
WO2018151548A1 (ko) * 2017-02-15 2018-08-23 이이엘씨이이주식회사 고분자 복합 재료를 활용한 3d 입체물 제조 로봇 시스템
JP2018150592A (ja) * 2017-03-14 2018-09-27 株式会社ソディック 積層造形装置
KR101812609B1 (ko) * 2017-06-29 2018-01-30 유일고무 주식회사 웨더스트립 성형용 금형 코어의 제조방법
KR20190012612A (ko) * 2017-07-28 2019-02-11 옥은택 3차원 금속 프린팅 시스템
KR102008330B1 (ko) * 2017-07-28 2019-08-07 옥은택 3차원 금속 프린팅 시스템
KR20190053472A (ko) * 2017-11-10 2019-05-20 김선호 보호가스 냉각형 아크 수축노즐을 이용한 3d프린터의 냉각 시스템
KR102008066B1 (ko) * 2017-11-10 2019-08-06 김선호 보호가스 냉각형 아크 수축노즐을 이용한 3d프린터의 냉각 시스템
WO2019182989A1 (en) * 2018-03-19 2019-09-26 Digital Alloys Incorporated Apparatuses, methods and systems for printing three-dimensional objects
CN112423918A (zh) * 2018-03-19 2021-02-26 数字合金股份有限公司 用于打印三维物体的装置、方法和系统
KR20190140520A (ko) * 2018-05-29 2019-12-20 비즈 주식회사 입체 조형물을 제작하는 3d 프린팅 장치 및 방법
KR102143879B1 (ko) * 2018-05-29 2020-08-12 비즈 주식회사 입체 조형물을 제작하는 3d 프린팅 장치 및 방법
KR20190140523A (ko) * 2018-05-30 2019-12-20 비즈 주식회사 이형 용가재를 사용하는 고적층율 금속 3d 아크 프린터
KR102143880B1 (ko) * 2018-05-30 2020-08-12 비즈 주식회사 이형 용가재를 사용하는 고적층율 금속 3d 아크 프린터
WO2020033337A1 (en) * 2018-08-07 2020-02-13 Digital Alloys Incorporated Wire force sensor for wire feed deposition processes
US11853033B1 (en) 2019-07-26 2023-12-26 Relativity Space, Inc. Systems and methods for using wire printing process data to predict material properties and part quality
RU2725483C1 (ru) * 2019-08-27 2020-07-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Способ послойной 3D-печати изделий из металла за счёт явления шнурования тока
KR102232387B1 (ko) 2020-11-23 2021-03-26 (주)에스와이메탈 3ｄ 적층법을 이용한 동합금 프로펠러의 제조방법
KR102487431B1 (ko) * 2021-07-14 2023-01-11 한국생산기술연구원 와이어 아크 3d 적층법으로 제조한 알루미늄 다이캐스팅 금형의 제조방법
RU2778390C1 (ru) * 2021-09-08 2022-08-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Способ объёмной 3D-печати посредством создания расплава в заданной области пространства за счёт явления шнурования тока
KR20230112971A (ko) 2022-01-21 2023-07-28 부산대학교 산학협력단 고품질 금속 적층 제조품의 처리방법
CN115555683A (zh) * 2022-08-11 2023-01-03 南京联空智能增材研究院有限公司 一种铝合金模具电弧增材方法
CN115555683B (zh) * 2022-08-11 2023-10-24 南京联空智能增材研究院有限公司 一种铝合金模具电弧增材方法

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WO2017073947A1 (ko) 2017-05-04
US20180326525A1 (en) 2018-11-15
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