KR101718591B1 - 3d printer for fabricating permanent magnet - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영구자석의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3D 프린터를 이용하여 영구자석을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 3D 프린터로 인쇄하기 위한 조형물에 대한 형상 데이터를 생성하는 형상 데이터 생성 단계; 영구자석의 제조에 필요한 원료인 적어도 하나의 금속 분말을 포함하는 분말 재료를 준비하는 원료 준비 단계; 및 3D 프린터가 상기 형상 데이터를 이용하여 상기 분말 재료로 입체 조형물을 인쇄하는 3D 프린팅 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 영구자석의 제조방법이 제공된다.The present invention relates to a method of manufacturing a permanent magnet, and more particularly, to a method of manufacturing a permanent magnet using a 3D printer. According to the present invention, there is provided an image processing method comprising: a shape data generation step of generating shape data for a molding to be printed by a 3D printer; A raw material preparing step of preparing a powder material containing at least one metal powder as a raw material necessary for manufacturing a permanent magnet; And a 3D printing step in which the 3D printer prints a three-dimensional object with the powder material using the shape data.

Description

영구자석 제조용 3Ｄ 프린터 {3D PRINTER FOR FABRICATING PERMANENT MAGNET}3D PRINTER FOR FABRICATING PERMANENT MAGNET}

본 발명은 영구자석의 제조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3D 프린터를 이용한 영구자석의 제조에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the production of permanent magnets, and more particularly to the manufacture of permanent magnets using a 3D printer.

영구자석은 일반적으로 8 A/m(100 Oe) 이상의 보자력을 갖는 경자성 재료로 이루어진 자성재료를 의미한다. 자기적 특성을 이용하여 기존의 가전용 모터, 스피커 뿐만 아니라, 정밀 의료기기, 항공우주 분야에 널리 활용되고 있다. 특히 최근에 다품종 주문형 소량생산이 필요한 분야에 영구자석의 활용가치가 매우 높아지고 있다. 영구자석의 개발이 본격적으로 이루어지면서 최근까지 성능 향상과 그 한계점을 극복하고자 하는 노력이 지속되고 있다. 이러한 노력은 주로 분말야금법을 기반으로 성분비, 열처리 등의 변화로부터 성능향상을 시도하였다. 영구자석은 페라이트(ferrite) 및 알니코(alnico) 자석을 포함한 10여종 이상의 영구자석들이 상용화된 상태이다. 기존의 영구자석의 제작은 분말야금법에 의한 소결자석으로 주조방식을 통해 소비자가 원하는 성능과 모양의 맞춤형 제작이 이미 기존 시장에서 행해지고 있다. 하지만 이러한 주조방식의 소결자석은 시간과 비용면에서 효율성이 떨어진다. 이러한 소결자석은 분말을 1㎛ 이하로 파쇄한 뒤 용해, 고온 소결(1000℃ 이상) 및 열처리, 가공(절단, 연마) 등의 복잡한 제조공정을 거치기 때문에 제작기간이 길며 최근의 다품종 소량생산이 필요한 복잡한 형상의 영구자석의 생산에는 기술적 측면과 비용 측면 모두에서 부적합하다.The permanent magnet generally means a magnetic material made of a hard magnetic material having a coercive force of 8 A / m (100 Oe) or more. It is widely used in the field of precision medical devices and aerospace as well as conventional home electric motors and speakers by using magnetic characteristics. In recent years, the use of permanent magnets has been greatly increased in fields requiring small-volume production on demand. Since the development of permanent magnets has been completed in earnest, efforts to overcome the limitations of performance improvement have been continuing until recently. These efforts were mainly based on the powder metallurgy method and attempted to improve the performance from the change of the composition ratio and the heat treatment. Permanent magnets are commercially available with more than 10 permanent magnets including ferrite and alnico magnets. Conventional permanent magnets are made by sintered magnets by the powder metallurgy method and customized performance and shape customized by the consumers through the casting method are already performed in the existing market. However, these sintered magnets are less efficient in terms of time and cost. These sintered magnets are produced in a complicated manufacturing process such as melting, high-temperature sintering (over 1000 ° C), heat treatment, processing (cutting and polishing) after crushing powder to 1 μm or less, The production of complex shaped permanent magnets is unsuitable for both technological and cost aspects.

본 발명의 목적은 종래의 분말야금법에 의한 주조방식의 영구자석 제조방법의 한계를 극복하여 제작이 불가능하거나 매우 어려운 다양한 형태(예를 들어, 속이 빈 구조, 비정형 구조체, 다중자성구조체(gradient magnet))의 영구자석을 용이하게 제조 및 수리할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to overcome the limitations of the conventional method of manufacturing a permanent magnet by a powder metallurgy method and to overcome the limitations of the prior art in a variety of forms that can not be manufactured or are extremely difficult (e.g., a hollow structure, an irregular structure, ) Can be manufactured and repaired with ease.

본 발명의 다른 목적은 분말상 형태의 자성체를 직접 주입, 용융하면서 적층/제작하여 종래의 방법으로 제작이 불가능하거나 매우 어려운 다양한 형태의 영구자석을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing various types of permanent magnets which are impossible to manufacture by a conventional method or are very difficult, by directly stacking / producing a magnetic body in powder form while injecting and melting directly.

본 발명의 또 다른 목적은 기존에 제작된 영구자석의 파손(크랙, 깨짐) 부분에 분말상 형태의 자성체를 직접 주입, 용융하여 영구자석을 수리할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method of directly repairing a permanent magnet by directly injecting and melting a powdered magnetic body into a fracture (crack, break) portion of a conventional permanent magnet.

본 발명의 또 다른 목적은 영구자석 제조를 위한 3D 프린터를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a 3D printer for manufacturing permanent magnets.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,According to an aspect of the present invention,

3D 프린터로 인쇄하기 위한 조형물에 대한 형상 데이터를 생성하는 형상 데이터 생성 단계; 영구자석의 제조에 필요한 원료인 적어도 하나의 금속 분말을 포함하는 분말 재료를 준비하는 원료 준비 단계; 및 3D 프린터가 상기 형상 데이터를 이용하여 상기 분말 재료로 입체 조형물을 인쇄하는 3D 프린팅 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 영구자석의 제조방법이 제공된다.A shape data generation step of generating shape data for a sculpture to be printed by a 3D printer; A raw material preparing step of preparing a powder material containing at least one metal powder as a raw material necessary for manufacturing a permanent magnet; And a 3D printing step in which the 3D printer prints a three-dimensional object with the powder material using the shape data.

상기 3D 프린팅 단계는 레이저 클래딩(laser cladding) 기술을 기반으로 하는 3D 프린터를 이용하여 수행되며, 상기 3D 프린팅 단계는 상기 분말 재료를 노즐을 통해 분사하는 단계와, 상기 노즐을 통해 분사된 분말 재료를 자화시키기 위해 상기 노즐의 분사구 주변에 자기장을 인가하는 단계를 구비할 수 있다.The 3D printing step is performed using a 3D printer based on laser cladding technology. The 3D printing step includes the steps of spraying the powder material through a nozzle, and spraying the powder material sprayed through the nozzle And applying a magnetic field around the nozzle of the nozzle to magnetize the nozzle.

상기 금속 분말은 100㎛ 이상의 평균 입경을 가질 수 있다.The metal powder may have an average particle diameter of 100 mu m or more.

상기 분말 재료는 철 분말, 알루미늄 분말 및 니켈 분말을 포함할 수 있으며, 이때 상기 분말 재료는 코발트 분말을 더 포함할 수 있다.The powder material may include iron powder, aluminum powder, and nickel powder, wherein the powder material may further comprise cobalt powder.

상기 분말 재료는 철 분말, 크롬 분말 및 코발트 분말을 포함할 수 있으며, 이때 분말 재료는 알루미늄을 더 포함할 수 있다.The powder material may comprise iron powder, chromium powder and cobalt powder, wherein the powder material may further comprise aluminum.

상기 분말 재료는 합금형태일 수도 있다.The powder material may be in the form of an alloy.

상기 3D 프린터를 이용한 영구자석 제조방법은 상기 입체 조형물에 대한 열처리를 수행하는 열처리 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing a permanent magnet using the 3D printer may further include a heat treatment step of performing a heat treatment on the stereolithography product.

상기 열처리는 400 내지 1200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at a temperature ranging from 400 to 1200 ° C.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 레이저 클래딩(laser cladding) 기술을 기반으로 하는 3D 프린터로서, 영구자석의 제조에 필요한 원료인 적어도 하나의 금속 분말을 포함하는 분말 재료를 분사하는 노즐부; 상기 노즐부로부터 분사되는 금속 분말을 자화시키기 위해 상기 노즐부의 분사구 주변에 자기장을 인가하는 자기장 인가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 제조용 3D 프린터가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a 3D printer based on laser cladding technology, comprising: a nozzle unit for spraying a powder material containing at least one metal powder as a raw material necessary for manufacturing a permanent magnet; And a magnetic field applying unit for applying a magnetic field to the vicinity of the ejection opening of the nozzle unit to magnetize the metal powder ejected from the nozzle unit.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 3D 프린터를 이용한 영구자석 제조방법이 제공되므로, 복잡한 형상의 영구자석을 용이하게 제작할 수 있다. 또한, 3D 프린터를 이용하여 원하는 형태의 영구자석이 제조되므로, 제작시간이 짧고 소량 생산에 적합하다.According to the present invention, all of the objects of the present invention described above can be achieved. Specifically, since a permanent magnet manufacturing method using a 3D printer is provided, a complicated permanent magnet can be easily manufactured. In addition, since a permanent magnet of a desired shape is manufactured using a 3D printer, the production time is short and is suitable for small-scale production.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 3D 프린팅 단계를 수행하는 3D 프린터에서 금속 분말이 분사되는 노즐부를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 측면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 거치대를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 자기장 인가부를 도시한 평면도이다.
도 6과 도 7은 본 발명에 따른 제조방법에 따라 3D 프린터로 제조된 영구자석의 전자현미경 사진과 조성분석을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 제조방법에 따라 3D 프린터로 제조된 영구자석의 자성특성을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 제조방법에 따라 3D 프린터로 제조된 영구자석-비자성체 혼합형 구조체의 일예를 보여주는 도면이다.1 is a flowchart showing a method of manufacturing a permanent magnet according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a nozzle unit in which a metal powder is injected in a 3D printer performing the 3D printing step shown in FIG. 1. FIG.
Figure 3 is a side view of Figure 2;
4 is a perspective view showing the cradle shown in Fig.
FIG. 5 is a plan view showing the magnetic field applying unit shown in FIG. 2. FIG.
FIGS. 6 and 7 are electron micrographs and compositional analysis of a permanent magnet manufactured by a 3D printer according to a manufacturing method according to the present invention.
8 is a graph showing magnetic characteristics of a permanent magnet manufactured by a 3D printer according to a manufacturing method according to the present invention.
FIG. 9 is a view showing an example of a permanent magnet-nonmagnetic composite material structure manufactured by a 3D printer according to a manufacturing method according to the present invention.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석의 제조방법이 순서도로서 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석의 제조방법은 형상 데이터 생성 단계(S10)와, 원료 준비 단계(S20)와, 3D 프린팅 단계(S30)와, 열처리 단계(S40)와, 연마 단계(S50)와, 표면 처리 단계(S60)를 포함한다. 본 발명에 따른 영구자석의 제조방법은 3D 프린터를 이용하여 영구자석을 제조함으로써, 복잡한 형상을 갖는 영구자석을 용이하게 제조할 수 있다.
FIG. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a permanent magnet according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a method for manufacturing a permanent magnet according to an embodiment of the present invention includes a shape data generation step S10, a raw material preparation step S20, a 3D printing step S30, a heat treatment step S40, A polishing step S50, and a surface treatment step S60. The method of manufacturing a permanent magnet according to the present invention can easily manufacture a permanent magnet having a complicated shape by manufacturing a permanent magnet using a 3D printer.

형상 데이터 생성 단계(S10)에서는 3D 프린터로 인쇄하기 위한 조형물(즉, 제조하고자 하는 영구자석)에 대한 형상 데이터가 생성된다. 본 실시예에서 형상 데이터 생성 단계(S10)는 3D CAD 프로그램에 의해 수행된다. 3D CAD 프로그램에 의해 3D 프린터로 인쇄할 조형물의 3차원 형상이 설계되고, 그 3차원 형상 데이터가 생성된다. 본 실시예에서는 형상 데이터 생성 단계(S10)가 3D CAD 프로그램에 의해 수행되는 것으로 설명하지만, 이와는 달리 3D 스캐너와 같은 다른 형상 데이터 생성 수단에 의해 수행될 수도 있으며 이 또한 본 발명에 속하는 것이다.
In the shape data generation step (S10), shape data for a molding (i.e., a permanent magnet to be manufactured) to be printed by the 3D printer is generated. In this embodiment, the shape data generation step (S10) is performed by a 3D CAD program. A three-dimensional shape of a molding to be printed by a 3D printer is designed by a 3D CAD program, and the three-dimensional shape data is generated. In this embodiment, the shape data generation step (S10) is described as being performed by a 3D CAD program, but may alternatively be performed by another shape data generation means such as a 3D scanner, which also belongs to the present invention.

원료 준비 단계(S20)에서는 영구자석의 제조에 필요한 원료인 분말 재료가 준비된다. 원료 준비 단계(S20)에서 준비된 분말 재료는 적어도 한 종류의 금속 분말을 포함한다. 금속 분말로는 3D 프린팅 시에 원활한 분말 주입을 위하여 구형 분말을 사용하며 평균 100㎛ 이상의 입자 크기를 갖는 일반 산업용 금속 분말을 사용한다. 만일 50㎛ 이하의 분말을 사용할 경우 분말이 주입되는 과정에서 노즐 안에서 뭉치거나 그것의 원인으로 스파크를 유발하여 불균일한 평면을 만들어 제작물에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 분말 재료가 두 종류 이상의 순수한 금속 분말을 포함하는 경우, 서로 용해되지 못하는 경우가 있어서 기공이나 크랙 형성으로 클래드 층의 붕괴를 초래할 수 있으며, 밀도차로 인해 투입물(input)의 조성과 결과물(output)의 조성이 달라지게 되므로 밀도차를 고려한 배합 과정에서의 주의가 요구된다. 이러한 부작용을 막기 위하여 본 실시예에서는 100㎛ 이상 평균 입경을 갖는 산업용 금속 분말이 사용된다. 본 실시예에서는 순도 99.8%의 철(Fe), 순도 99.8%의 크롬(Cr), 순도 99.8%의 코발트(Co), 순도 99.8%의 니켈(Ni), 순도 99.8%의 알루미늄(Al)의 평균 입경 50 내지 150㎛의 금속 분말을 사용하여 알니코(alnico) 계열 자석 또는 크로민듀르(chromindur) 계열 자석이 제조된다. alnico 계열 자석의 제조를 위해서는 철, 알루미늄, 니켈 및 코발트의 금속 분말이 사용되고, chromindur 계열 자석의 제조를 위해서는 철, 크롬 및 코발트의 금속 분말이 사용된다. 분말 재료에서 각 금속 분말의 조성비는 밀도차에 의한 input과 output 사이의 조성 변화를 고려하여 결정되는 것이 바람직하다. input과 output 사이의 조성 변화에 대해서는 아래 3D 프린팅 단계(S30)에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
In the raw material preparation step (S20), a powder material which is a raw material necessary for manufacturing a permanent magnet is prepared. The powder material prepared in the material preparation step (S20) includes at least one kind of metal powder. As metal powder, spherical powder is used for smooth powder injection in 3D printing, and a general industrial metal powder having an average particle size of 100 μm or more is used. If powder having a particle diameter of 50 탆 or less is used, powder may be aggregated in the nozzle or may cause spark as a cause thereof, resulting in a non-uniform plane, which may adversely affect the production. If the powder material contains two or more kinds of pure metal powders, they may not be mutually soluble, which may lead to the collapse of the clad layer due to pores or cracks, and the composition of the input and the output It is necessary to pay attention to the mixing process considering the density difference. In order to prevent such side effects, industrial metal powder having an average particle diameter of 100 mu m or more is used in this embodiment. In this embodiment, the average of aluminum (Al) having a purity of 99.8%, iron (Fe) having a purity of 99.8%, chromium (Cr) having a purity of 99.8%, cobalt (Co) having a purity of 99.8%, nickel An alnico-based magnet or a chromindur-based magnet is manufactured using a metal powder having a particle diameter of 50 to 150 탆. Metallic powders of iron, aluminum, nickel and cobalt are used for the production of alnico-based magnets, and metallic powders of iron, chromium and cobalt are used for the production of chromindur-based magnets. In the powder material, the composition ratio of each metal powder is preferably determined in consideration of the compositional change between the input and the output due to the density difference. The compositional change between input and output will be described in more detail in the 3D printing step (S30) below.

3D 프린팅 단계(S30)에서는 3D 프린터가 형상 데이터 단계(S10)에서 생성된 형상 데이터를 이용하여 원료 준비 단계(S20)에서 준비된 분말 재료로 연자성체의 자성 특성을 갖는 입체 조형물을 인쇄한다. 3D 프린팅 단계(S30)를 통해 인쇄된 입체 조형물은 연자성체의 자성 특성을 갖는다. 본 실시예에서 3D 프린팅 단계(S30)에서 사용되는 3D 프린터는 레이저 클래딩(laser cladding) 기술을 기반으로 하는 3D 금속 프린터인 것으로 설명한다. 본 실시예에서 레이저 클래딩을 위한 모재로는 강(steel)이 사용된다. CO2 레이저가 평균 400W의 세기로 연속적으로 모재에 조사되어 모재에 용융풀이 형성되고, 용융풀에 노즐로부터 분사되는 분말 재료가 주입되어 클래딩 층이 형성된다. 분말 재료는 노즐로부터 분사되는 과정에서 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같은 자장 인가부에 의해 자화된다. 분말 재료는 평균 4 g/min의 속도로 주입되며 한 사이클 동안 0.1 내지 2 mm 두께의 클래딩 층을 형성하게 된다. 작업이 이루어지는 과정은 대기 중에서 이루어지며 단시간 내에 용융시킨 뒤 대기 중에서 급냉시킴으로써 불순물 유입이 적다. 클래딩 층이 적층되어서 입체 조형물이 인쇄되는데, 본 실시예에서 입체 조형물은 지름 1cm, 높이 4cm를 갖는 원통형의 형상인 것으로 설명한다. 분말 재료의 성질에 따라서 평균 300 내지 400g의 분말이 사용되었으며, 미세 입자가 적을수록 제작 시간이 단축되었다. 인쇄된 입체 조성물은 XRD를 통해 종래의 소결 방식으로 제작된 영구자석과 유사한 결정 구조를 갖는 것이 확인되었다. 3D 프린팅 과정에서 금속 분말이 분사되는 동안 소비되는 분말 이외의 손실을 감안하여 실제 사용할 분말보다 20 내지 30% 이상의 양이 준비되는 것이 바람직하다. 또한, 금속 분말들 사이의 밀도 차이로 인해, 철, 니켈, 코발트 및 크롬의 경우 input 조성보다 더 적은 output 조성이 합금을 이루며, Al의 경우 다른 금속에 비해 상대적으로 더 많은 output 조성이 합금을 이룬다. 철, 니켈, 코발트, 크롬과 알루미늄의 밀도는 각각 7.87, 8.90, 8.90, 7.19와 2.70 g/㎤으로 알루미늄의 밀도는 다른 금속 분말의 평균 밀도에 1/3 밖에 되지 않는다. 알루미늄은 인쇄가 이루어지는 부분에서 알루미늄 클라우드(aluminium cloud)를 형성하여 작업이 이루어지는 동안 더 많은 알루미늄 분말이 합금화에 영향을 미친다. 철, 니켈, 코발트와 크롬의 경우 차지하는 input 비율이 많아질수록 output 양이 감소하는 경향을 보이고, 알루미늄의 경우 input 비율이 높을수록 output 양이 급격히 증가하다가 그 비율이 30% 이상이 되면 증가 비율이 포화된다.(input 비율은 철을 제외하고 50%를 넘지 않는다) 이와 같은 밀도 차에 의한 input과 output 사이의 조성 변화를 감안하여 분말 재료의 조성비가 결정된다. 본 실시예에서 3D 프린팅 단계(S30)를 통해 제작되는 입체 조형물은 alnico 계열의 Fe-17Al-30Ni, Fe-17Al-30Ni-5Co, Fe-12Al-21Ni-5Co, Fe-8Al-14Ni-24Co 또는 Fe-8Al-15Ni-35Co의 합금이거나, Chromindur 계열의 Fe-28Cr-Co, Fe-28Cr-12Co, Fe-28Cr-23Co, Fe-28Cr-15Co-1Al 또는 Fe-33Cr-12Co의 합금이다. 3D 프린팅 단계(S30)를 통해 제작된 입체 조형물은 보자력의 크기가 50 Oe 이하의 값을 갖는 연자성의 자기적 성질을 나타낸다. 3D 프린팅 단계(S30)를 통해 제작된 연자성체인 입체 조형물의 자성 특성은 열처리 단계(S40)를 통해 향상된다.
In the 3D printing step S30, the 3D printer uses the shape data generated in the shape data step S10 to print the stereoscopic molding having the magnetic characteristics of the soft magnetic material with the powder material prepared in the material preparing step S20. The stereolithography printed through the 3D printing step (S30) has the magnetic properties of the soft magnetic material. In this embodiment, the 3D printer used in the 3D printing step S30 is described as a 3D metal printer based on laser cladding technology. In this embodiment, steel is used as a base material for laser cladding. A CO 2 laser is continuously irradiated onto the base material at an intensity of 400 W to form a molten pool in the base material and a powder material injected from the nozzle into the molten pool is injected to form a cladding layer. The powder material is magnetized by the magnetic field applying unit as shown in Figs. 2 to 5 during the process of ejecting from the nozzle. The powder material is injected at an average rate of 4 g / min and forms a 0.1 to 2 mm thick cladding layer for one cycle. The work is done in the atmosphere. It is melted in a short time and quenched in the atmosphere, so that there is little inflow of impurities. The cladding layer is laminated and the three-dimensional object is printed. In the present embodiment, the three-dimensional object is a cylindrical shape having a diameter of 1 cm and a height of 4 cm. Powders of average 300-400 g were used depending on the properties of the powder material, and the smaller the number of fine particles, the shorter the production time. It was confirmed that the printed three-dimensional composition has a crystal structure similar to that of a permanent magnet manufactured by a conventional sintering method through XRD. It is preferable that an amount of 20 to 30% or more of the powder to be actually used is prepared in consideration of losses other than the powder consumed during the spraying of the metal powder in the 3D printing process. Also, due to the difference in density between the metal powders, the output composition is less than the input composition in the case of iron, nickel, cobalt and chromium, and in the case of Al, the output composition is relatively higher than the other metals . The densities of iron, nickel, cobalt, chromium and aluminum are 7.87, 8.90, 8.90, 7.19 and 2.70 g / cm3, respectively, and the density of aluminum is only 1/3 of the average density of other metal powders. Aluminum forms an aluminum cloud at the area where printing occurs, and more aluminum powder affects alloying during work. In the case of iron, nickel, cobalt and chromium, the amount of output tends to decrease as the input ratio increases. In the case of aluminum, as the input ratio increases, the amount of output increases sharply. If the ratio increases to 30% (Input ratio does not exceed 50% except for iron) The composition ratio of the powder material is determined in consideration of the compositional change between input and output due to such density difference. In the present embodiment, the stereolithography product produced through the 3D printing step S30 is an alnico series Fe-17Al-30Ni, Fe-17Al-30Ni-5Co, Fe-12Al-21Ni-5Co, Fe-8Al- An alloy of Fe-8Al-15Ni-35Co or an alloy of Fe-28Cr-Co, Fe-28Cr-12Co, Fe-28Cr-23Co, Fe-28Cr-15Co-1Al or Fe-33Cr-12Co of Chromindur series. The stereolithography produced through the 3D printing step (S30) exhibits magnetism of soft magnetism having a coercive force of 50 Oe or less. The magnetic characteristics of the stereolithography product, which is a soft magnetic material manufactured through the 3D printing step S30, is improved through the heat treatment step S40.

도 2와 도 3에는 3D 프린팅 단계(S30)를 수행하는 3D 프린터에서 금속 분말이 분사되는 노즐부가 사시도와 측면도로서 각각 도시되어 있다. 3D 프린터는 앞서서 설명한 바와 같이, 레이저 클래딩(laser cladding) 기술을 기반으로 하는 3D 금속 프린터이다. 도 2와 도 3을 참조하면, 영구자석 제조용 3D 프린터는 금속 분말을 분사하는 노즐부(100)와, 노즐부(100)로부터 분사되는 금속 분말을 자화시키기 위해 자기장을 인가하는 자기장 인가부(200)와, 자기장 인가부(200)를 노즐부(100)에 고정시키는 거치대(300)를 구비한다.
FIGS. 2 and 3 are respectively a perspective view and a side view of a nozzle part in which a metal powder is injected in a 3D printer performing a 3D printing step S30. The 3D printer is a 3D metal printer based on laser cladding technology, as described above. Referring to FIGS. 2 and 3, the 3D printer for manufacturing a permanent magnet includes a nozzle unit 100 for spraying metal powder, a magnetic field applying unit 200 for applying a magnetic field to magnetize the metal powder ejected from the nozzle unit 100, And a holder 300 for fixing the magnetic field applying unit 200 to the nozzle unit 100.

노즐부(100)는 영구자석의 원료인 금속 분말을 분사구(110)를 통해 모재로 분사한다. 도시되지는 않았으나, 노즐부(100)는 금속 분말과 함께 레이저 빔을 함께 조사하는 구조일 수 있다.
The nozzle unit 100 injects the metal powder, which is a raw material of the permanent magnet, into the base material through the injection port 110. Although not shown, the nozzle unit 100 may be a structure for irradiating a laser beam together with a metal powder.

도 5에는 도 2에 도시된 자기장 인가부(200)의 사시도가 도시되어 있다. 자기장 인가부(200)는 노즐부(100)의 분사구(110) 주변에 자기장을 형성하여 분사구(110)로부터 분사되는 금속 분말을 자화시킨다. 도 2, 도 3 및 도 5를 참조하면, 자기장 인가부(200)는 전자석 형태로서, 철심부(210)와, 코일(220)을 구비한다. 철심부(210)는 대체로 'ㄷ'자 형태로서, 코일(220)이 감긴 코일 형성부(211)와, 코일 형성부(211)의 양단으로부터 서로 평행하고 나란하게 연장된 두 연장부(212, 213)를 구비한다. 두 연장부(212, 213)의 끝단 사이에 노즐부(100)의 분사구(110)가 인접하여 위치한다. 두 연장부(212, 213)의 바깥 측면에는 각각 나사 결합 구멍(214, 215)이 마련되어서 거치대(300)에 나사 결합된다.
FIG. 5 is a perspective view of the magnetic field applying unit 200 shown in FIG. The magnetic field applying unit 200 forms a magnetic field around the ejection opening 110 of the nozzle unit 100 to magnetize the metal powder ejected from the ejection opening 110. 2, 3 and 5, the magnetic field applying unit 200 includes an iron core unit 210 and a coil 220 in the form of an electromagnet. The iron core 210 has a substantially C shape and includes a coil forming portion 211 in which the coil 220 is wound and two extending portions 212 and 214 extending in parallel and parallel to each other from both ends of the coil forming portion 211, 213). The injection port 110 of the nozzle unit 100 is positioned adjacent to the end of the two extensions 212 and 213. The outer sides of the two extensions 212 and 213 are provided with screw holes 214 and 215, respectively, and are screwed into the holder 300.

도 4에는 도 2에 도시된 거치대가 사시도서 도시되어 있다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 거치대(300)는 노즐부(100)의 주위에 걸쳐지는 두 아암 부재(310, 320)와, 두 아암 부재(310, 320)를 연결시키는 연결 부재(330)와, 자기장 인가부(200)가 결합되는 두 결합 부재(340, 350)를 구비한다.In Fig. 4, the holder shown in Fig. 2 is shown in a perspective view. 2 to 4, the holder 300 includes two arm members 310 and 320 extending around the nozzle unit 100, a connecting member 330 connecting the two arm members 310 and 320, And two coupling members 340 and 350 to which the magnetic field applying unit 200 is coupled.

두 아암 부재(310, 320)은 노즐부(100)의 주위를 빙 둘러서 연장되도록 일단부가 서로 맞대어져서 이어진다. 두 아암 부재(310, 320)가 이어지는 각 단부에서 연결 부재(330)에 의해 연결된다.The two arm members 310 and 320 are connected to each other so that one end portion of the two arm members 310 and 320 extends around the nozzle unit 100 so as to surround the nozzle unit. The two arm members 310, 320 are connected by a connecting member 330 at each subsequent end.

연결 부재(330)는 몸체(331)와, 몸체(331)로부터 돌출된 두 삽입 막대(332, 333)를 구비한다. 두 삽입 막대(332, 333)가 두 아암 부재(310, 320) 각각에 형성된 삽입 구멍(311, 321) 각각에 분리가능하게 끼워져서 두 아암 부재(310, 320)가 연결된 상태로 고정된다.The connecting member 330 has a body 331 and two insertion bars 332 and 333 protruding from the body 331. Two insertion rods 332 and 333 are detachably fitted into the insertion holes 311 and 321 formed in the two arm members 310 and 320 so that the two arm members 310 and 320 are fixed in a connected state.

두 결합 부재(340, 350) 각각은 아암 부재(310, 320)의 각 끝단으로부터 아래로 연장된다. 두 결합 부재(340, 350) 각각에는 상하로 연장되는 슬릿(341, 342)이 마련된다. 두 결합 부재(340, 350)의 사이에 자기장 인가부(200)가 위치하며, 도시된 바와 같이 슬릿(341, 342)을 통해 나사(371)가 자기장 인가부(200)에 마련된 나사 결합 구멍(214, 215)에 결합된다. 두 결합 부재(340, 350) 상에서 자기장 인가부(200)의 높이와 각도는 조절되어서 결합된다.
Each of the two engaging members 340 and 350 extends downward from each end of the arm members 310 and 320. Slits 341 and 342, which extend vertically, are provided on each of the coupling members 340 and 350. The magnetic field applying unit 200 is positioned between the two coupling members 340 and 350 and the screw 371 is inserted through the slits 341 and 342 as shown in FIG. 214, and 215, respectively. The height and the angle of the magnetic field applying unit 200 on the two coupling members 340 and 350 are adjusted and combined.

열처리 단계(S40)에서는 3D 프린팅 단계(S30)를 통해 제작된 연자성체인 입체 조형물에 대한 열처리가 수행된다. 입체 조형물은 열처리에 의해 자성 특성이 향상(보자력의 크기가 150 Oe로 3배 이상 증가)되어서 경자성체가 된다. 열처리 단계(S40)는 1500℃까지 가열이 가능한 노(furnce)를 사용하며, 3D 프린팅 단계(S30)를 통해 제작된 입체 조형물은 400 내지 1200℃ 온도 범위에서 진행되었다. Fe-8Al-15Ni-35Co의 Alnico 계열의 경우 1000℃, 0.5 시간의 열처리에서 가장 큰 보자력과 잔류자화값을 가지며, Fe-28Cr-15Co-1Al의 Chromindur 계열의 경우 1250℃, 24 시간의 열처리에서 가장 큰 보자력과 잔류자화값을 갖는다. 본 실시예에서는 열처리 단계(S40)가 수행되는 것으로 설명하지만, 열처리 단계(S40)는 생략될 수 있다. 열처리 단계(S40)가 생략되더라도 3D 프린팅 단계에서 인가되는 자기장에 의해 충분한 자성 특성을 얻을 수 있게 된다. 즉, 본 발명에 의하면, 열처리 공정을 거치지 않더라도 영구자석의 제조가 가능하게 된다.
In the heat treatment step (S40), heat treatment is performed on the stereolithography product, which is a soft magnetic material manufactured through the 3D printing step (S30). As for the three-dimensional molding, the magnetic property is improved by the heat treatment (the magnitude of the coercive force is increased by three times or more to 150 Oe) and becomes a light magnetic body. In the heat treatment step (S40), a furnace capable of heating up to 1500 DEG C is used, and the stereolithography product manufactured through the 3D printing step (S30) is operated at a temperature range of 400 to 1200 DEG C. The Alnico series of Fe-8Al-15Ni-35Co has the largest coercive force and residual magnetization value in the heat treatment at 1000 ℃ for 0.5 hour. In the case of Fe-28Cr-15Co-1Al Chromindur series, the heat treatment at 1250 ℃ for 24 hours And has the largest coercive force and residual magnetization value. Although the heat treatment step S40 is described as being performed in this embodiment, the heat treatment step S40 may be omitted. Even if the heat treatment step S40 is omitted, a sufficient magnetic property can be obtained by the magnetic field applied in the 3D printing step. That is, according to the present invention, it is possible to manufacture a permanent magnet without performing a heat treatment step.

연마 단계(S50)에서는 열처리 단계(S40)를 거친 경자성체의 표면에 대한 연마가 수행된다. 열처리 단계(S40)가 생략되는 경우에는 연마 단계(S50)는 3D 프린팅 단계(S30)를 통해 제작된 영구자석에 대해 수행된다.
In the polishing step (S50), polishing is performed on the surface of the hard magnetic body through the heat treatment step (S40). In the case where the heat treatment step S40 is omitted, the polishing step S50 is performed on the permanent magnet manufactured through the 3D printing step S30.

표면 처리 단계(S60)에서는 연마 단계(S50)를 통해 표면이 연마된 경자성체에 대해 부식 방지 등을 위한 표면 처리가 수행된다.
In the surface treatment step (S60), a surface treatment for corrosion prevention or the like is performed on the hard magnetic body whose surface has been polished through the polishing step (S50).

도 6과 도 7은 본 발명에 따른 제조방법에 따라 3D 프린터로 제조된 영구자석의 전자현미경 사진과 조성분석을 보여주는 도면이다. 도 6과 도 7을 참조하면, 제작된 영구자석의 조성이 input 조성과 상당히 유사함을 알 수 있다.
FIGS. 6 and 7 are electron micrographs and compositional analysis of a permanent magnet manufactured by a 3D printer according to a manufacturing method according to the present invention. Referring to FIGS. 6 and 7, it can be seen that the composition of the manufactured permanent magnet is substantially similar to the input composition.

도 8은 본 발명에 따른 제조방법에 따라 3D 프린터로 제조된 영구자석의 자성특성 그래프(MH curve)이다. 도 8을 참조하면, 종래의 Alnico 영구자석과 자성특성이 유사함을 알 수 있다. 자력의 세기 차이는 조성의 차이때문이다.
FIG. 8 is a graph of a magnetic characteristic (MH curve) of a permanent magnet manufactured by a 3D printer according to a manufacturing method according to the present invention. Referring to FIG. 8, it can be seen that magnetic characteristics are similar to those of conventional Alnico permanent magnets. The strength difference of the magnetic force is due to the composition difference.

도 9는 본 발명에 따른 제조방법에 따라 3D 프린터로 제조된 영구자석-비자성체 혼합형 구조체의 일예를 보여주는 도면이다. 이와 같은 영구자석-비자성체 혼합형 구조체는 3D 프린팅 중, 적층 조성을 변화시킴으로서 제조된다.
FIG. 9 is a view showing an example of a permanent magnet-nonmagnetic composite material structure manufactured by a 3D printer according to a manufacturing method according to the present invention. Such a permanent magnet-nonmagnetic composite structure is manufactured by changing the composition of the layers during 3D printing.

이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100 : 노즐부
200 : 자기장 인가부
300 : 거치대100:
200: magnetic field application part
300: Cradle

Claims (10)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 레이저 클래딩(laser cladding) 기술을 기반으로 하는 3D 프린터로서,
영구자석의 제조에 필요한 원료인 적어도 하나의 금속 분말을 포함하는 분말 재료를 분사하는 노즐부;
상기 노즐부로부터 분사되는 금속 분말을 자화시키기 위해 상기 노즐부의 분사구 주변에 자기장을 인가하는 자기장 인가부(200); 및
상기 자기장 인가부를 상기 노즐부에 고정시키는 거치대(300)를 포함하며,
상기 거치대는 상기 노즐부에 결합되는 두 아암 부재(310, 320)와, 상기 두 아암 부재로부터 연장되는 두 결합 부재(340, 350)를 구비하며,
상기 두 결합 부재 각각에는 그 길이방향을 따라서 연장되는 슬릿(341, 342)이 마련되며, 상기 슬릿을 통해 나사(371)가 상기 자기장 인가부와 결합되는 것을 특징으로 하는 영구자석 제조용 3D 프린터.
As a 3D printer based on laser cladding technology,
A nozzle unit for spraying a powder material containing at least one metal powder as a raw material necessary for manufacturing a permanent magnet;
A magnetic field applying unit (200) for applying a magnetic field to the vicinity of an ejection opening of the nozzle unit to magnetize the metal powder ejected from the nozzle unit; And
And a holder (300) for fixing the magnetic field applying unit to the nozzle unit,
The cradle includes two arm members (310, 320) coupled to the nozzle unit, and two engagement members (340, 350) extending from the two arm members,
Wherein each of the two engaging members is provided with slits (341, 342) extending in the longitudinal direction thereof, and a screw (371) is engaged with the magnetic field applying unit through the slit.
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