KR101780465B1 - 미세조직 제어가 가능한 3d 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세조직 제어가 가능한3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법에 관한 것으로, 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법에 있어서, (i) 3D프린팅의 공정변수를 설정하는 단계; (ii) 금속분말을 공급하는 단계; (iii) 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융시키는 단계; (iv) 상기 용융된 금속분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 금속소재의 하나의 레이어를 형성하는 단계; (v) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (ii)~(iv)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (iv)단계 에서의 레이어 내부에서의 미세조직은 상기 (i)단계에서의 설정된 공정변수에 의해 제어되어 상기 금속소재의 기계적 물성을 조절하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법을 제공한다.

Description

미세조직 제어가 가능한 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법 {3-Dimensional manufacturing method for the metallic materials using 3D printing with controlling the microstructure}
본 발명은 미세조직 제어가 가능한 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린팅 기술을 이용하여 금속소재 제품을 제조하는 과정에서 공정변수인 스캔속도와 전류밀도를 제어하여 금속소재의 미세조직을 제어함으로써 제품 요구특성에 부합하는 미세조직 형성이 가능한 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법에 관한 것이다.
미세조직 제어기술은 금속소재 내에 결정립의 형상 및 방향성을 제어하는 기술을 의미한다. 종래 금속소재 제품을 제조하는데 있어서, 금속소재의 배향성 미세조직을 제어하여 소재 및 제품의 강도를 향상시키거나 내구성을 증가시킴으로써 제품의 기능성을 향상시켜 주는 방법으로 금속소재의 용해, 주조 후에 열간/냉간 소성가공 및 열처리 공정을 통해서 결정립의 형상 및 방향성의 제어가 가능하였다. 그러나 전체 제조공정단계에서 소성가공 및 열처리 공정 등의 후처리 공정의 도입으로 인해 전체 제작기간이 증가되며 이로 인한 시간적 Loss 및 공정 추가에 따른 제품의 단가 상승 등 경제적 Loss가 발생하는 문제점이 있다. 또한 후처리 공정 이후 용접 및 절단 등의 후가공 공정의 도입으로 인해 제품 내부에 미세조직의 변형이 발생하기 쉬우며 이로 인한 제품 성능 저하가 발생하는 문제점을 안고 있다.
한편, 기존의 금속소재 제품을 제조하는 방법으로는 금속 소재를 높은 온도로 가열하여 용융시켜 액체 상태의 금속을 금형에 주입하여 응고시키는 주조 방식이 주로 사용되었다. 최근에 복잡한 형상을 가지는 입체 조형물을 제조하는 방법으로 3D 프린팅 제조방식이 알려져 있다. 3D 프린팅을 이용하여 금속소재 제품을 제조하는 대표적인 방식으로 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Direct Energy Deposition) 방식이 알려져 있다. PBF 방식은 분말공급장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수십 μm의 금속분말층을 도포하고 조형광원으로 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후 한 층씩 용융시켜 금속분말을 서로 결합시켜 쌓아 올라가는 방식이다. DED 방식은 보호가스 분위기에서 금속분말을 실시간으로 공급, 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시 용융되어 금속분말을 용융 적층해 나가는 방식이다. PBF 방식이 비교적 정밀하고 형상자유도 구현에 유리하다는 장점이 있다. 3D 프린팅 방식은 여러 개선되어야 할 점들이 있지만, 기존의 금형을 이용하여 만들기 어려운 중공형 등의 복잡하고 정밀한 형상을 가지는 제품을 직접 제조할 수 있고, 스크랩의 소재 손실도 없으며 기계가공 등의 후공정을 대폭 생략할 수 있기 때문에, 환자맞춤형 인공관절 부품, 우주항공 부품 등을 포함하여 일반 산업용 부품 등 다양한 분야에 기술의 활용도가 점차 증가하고 있는 추세이다.
그럼에도 3D 프린팅을 이용하여 형성되는 금속소재의 미세조직에 대한 연구는 미흡한 실정이고 3D 프린팅의 공정변수에 따라 금속소재에 어떠한 미세조직이 형성되고 결정립의 형상 및 방향성에 영향을 미치는지 구체적으로 개시된 경우는 없다.
대한민국 공개특허 제 2015-0042632호(발명의 명칭: 3차원 프린팅 기술을 이용한 강판 제조 방법, 이하 종래기술 1이라 한다.) 에서는, 3D 프린팅 기술을 적용하여 국부 물성의 제어 및 소재 손실 최소화를 이룰 수 있는 금속 판재에 대한 제조 방법으로서, (a) 기존 판재 상/하부 임의의 위치에 강화 소재 및 기능성 소재를 도포하거나 용융 부착시켜 국부적인 소재 물성을 제어하는 단계; 및 (b) 부가 소재의 위치 제어를 통한 소재의 손실을 최소화하는 단계를 포함하는 금속 판재의 제조 방법이 개시되어 있다.
KR 2015-0042632 A
종래기술 1은 3D 프린팅을 이용하여 금속 판재의 물성을 제어하는 기술이 개시되어 있으나, 금속소재 자체의 미세조직 형성에 대해 구체적으로 개시되어 있지 않다는 제1 문제점, 부족한 물성 보완을 위해 압연 공정 등의 후가공 공정이 필요하여 시간적, 경제적 손실이 있다는 제2 문제점을 갖는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법에 있어서, (i) 3D프린팅의 공정변수를 설정하는 단계; (ii) 금속분말을 공급하는 단계; (iii) 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융시키는 단계; (iv) 상기 용융된 금속분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 금속소재의 하나의 레이어를 형성하는 단계; (v) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (ii)~(iv)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (iv)단계에서의 레이어 내부에서의 미세조직은 상기 (i)단계에서의 설정된 공정변수에 의해 제어되어 상기 금속소재의 기계적 물성을 조절하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법을 제공한다.
또한, 상기 미세조직의 제어는 상기 레이어 내부에서의 결정립의 형상 및 방향성 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
또한, 상기 공정변수는 스캔속도 및 전류밀도 중 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 공정변수는 하기 식 1에서 계산되는 라인에너지(Eline)가 목표로 하는 미세조직을 형성하기 위한 소정의 값을 갖도록 조절될 수 있다.
[식 1]
Eline=P/νscan=VI/νscan
(Eline은 라인에너지(kJ/m), P는 전력(W), νscan은 스캔속도(mm/s), V는 전압, I는 전류밀도(mA)를 나타냄)
또한, 상기 미세조직은 상기 라인에너지에 따라 등축조직, 혼합조직, 층상조직 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 라인에너지는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 (ii)단계와 상기 (iii)단계의 사이에 공급된 상기 금속분말을 예열하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 공정변수에는 예열온도가 더 포함되고, 상기 예열온도는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 3D 프린팅 방식은 파우더 베드에 조형광원을 조사하여 용융 및 적층하는 방식 또는 조형광원으로 재료를 직접 용융 및 적층하는 방식일 수 있다.
또한, 상기 금속소재는 Al, Ti, Cu, Ni, Fe, Co, Cr, Si로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 (ii)단계에서 공급되는 금속분말의 평균 입자크기는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 공정변수에는 상기 (iv)단계에서 형성되는 레이어의 두께가 더 포함되고, 상기 레이어의 두께는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 조형광원은 전자빔 또는 레이저일 수 있다.
또한, 본 발명은 3D 프린팅을 이용한 순수 티타늄(Ti)의 입체 조형방법에 있어서, (a) 3D프린팅의 공정변수를 설정하는 단계; (b) 순수 티타늄분말을 공급하는 단계; (c) 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 순수 티타늄분말을 용융시키는 단계; (d) 상기 용융된 순수 티타늄분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 순수 티타늄의 하나의 레이어를 형성하는 단계; (e) 순수 티타늄의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (b)~(d)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (d)단계에서의 레이어 내부에서의 미세조직은 상기 (a)단계에서의 설정된 공정변수에 의해 제어되어 상기 순수 티타늄의 기계적 물성을 조절하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 순수 티타늄의 입체 조형방법을 제공한다.
또한, 상기 공정변수는 스캔속도 및 전류밀도 중 하나 이상이고, 상기 공정변수는 하기 식 1에서 라인에너지(Eline)가 0.17 내지 0.60kJ/m 의 값을 갖도록 만족할 수 있다.
[식 1]
Eline=P/νscan=VI/νscan
(Eline은 라인에너지(kJ/m), P는 전력(W), νscan은 스캔속도(mm/s), V는 전압, I는 전류밀도(mA)를 나타냄)
또한, 상기 스캔속도는 100mm/s ~ 8000mm/s일 수 있다.
또한, 상기 전류밀도는 2 ~ 32mA일 수 있다.
또한, 상기 Eline이 0.17~0.24kJ/m 경우, 순수 티타늄의 미세조직은 층상조직을 형성할 수 있다.
또한, 상기 Eline이 0.25~0.42kJ/m인 경우, 순수 티타늄의 미세조직은 혼합조직을 형성할 수 있다.
또한, 상기 Eline이 0.43~0.60kJ/m인 경우, 순수 티타늄의 미세조직은 등축조직을 형성할 수 있다.
또한, 상기 (b)단계와 상기 (c)단계의 사이에 공급된 상기 순수 티타늄분말을 예열하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 공정변수에는 예열온도가 더 포함되고, 상기 예열온도는 600~700℃일 수 있다.
또한, 상기 (b)단계에서 공급되는 순수 티타늄분말의 평균 입자크기는 10μm ~ 150 μm일 수 있다.
또한, 상기 공정변수에는 상기 (d)단계에서 형성되는 레이어의 두께가 더 포함되고, 상기 레이어의 두께는 50μm 내지 200μm일 수 있다.
또한, 상기 결정립의 크기는 2μm ~ 800μm일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 방법으로 제조된 금속소재의 입체 조형물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 방법으로 제조된 순수 티타늄의 입체 조형물을 제공한다.
본 발명에 따른 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법 및 이를 이용한 금속소재 입체 조형물 제조방법은 종래기술에 비해 3D 프린팅 공정변수인 스캔속도와 전류밀도 제어를 통한 금속소재 미세조직 제어를 개시하고 있다는 제1 효과, 금속소재의 미세조직 제어를 통해 후가공 공정이 불필요하여 단시간 내에 제조 및 비용이 절약된다는 제2 효과, 이를 통해 제조되는 제품의 요구특성에 맞는 맞춤형 제품 제조가 가능하다는 제3 효과를 동시에 갖는다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류밀도와 스캔속도의 관계에서 라인에너지의 최적 범위를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 미세조직(전자후방산란회절, EBSD) 중 층상조직을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 미세조직(전자후방산란회절, EBSD) 중 혼합조직을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 미세조직(전자후방산란회절, EBSD)중 등축조직을 나타낸 사진이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법에 있어서, (i) 3D프린팅의 공정변수를 설정하는 단계; (ii) 금속분말을 공급하는 단계; (iii) 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융시키는 단계; (iv) 상기 용융된 금속분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 금속소재의 하나의 레이어를 형성하는 단계; (v) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (ii)~(iv)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (iv)단계에서의 레이어 내부에서의 미세조직은 상기 (i)단계에서의 설정된 공정변수에 의해 제어되어 상기 금속소재의 기계적 물성을 조절하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법을 제공한다.
3D 프린터를 이용하여 금속소재 입체 조형물을 제조하는 대표적인 방식으로 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Direct Energy Deposition) 방식이 있다. PBF 방식은 분말공급장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수십μm의 금속분말층을 도포하고 조형광원으로 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후 한 층씩 용융시켜 금속분말을 서로 결합시켜 쌓아 올라가는 방식이다. 유사한 원리의 방식으로 SLM(Selective Laser Melting), SLS(Selective Laser Sintering) 등이 있다. DED 방식은 보호가스 분위기에서 금속분말을 실시간으로 공급, 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시 용융되어 금속분말을 용융 적층해 나가는 방식이다. 유사한 방식으로 DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 등이 있다. PBF 방식이 비교적 정밀하고 형상자유도 구현에 유리하다는 장점이 있다. 조형광원의 종류로는 레이저와 전자빔이 있는데, 레이저는 전자빔과 비교했을 때, 레이저광의 조사 에너지가 낮고, 용융 고화하여 형성되는 금속소재 레이어의 적층 피치를 두껍게 하는 것이 곤란하고, 적층 조형에 필요로 하는 조형시간 소모가 높은 문제점이 있다.
본 발명이 적용될 수 있는 3D 프린팅 방식은 PBF와 같은 파우더 베드에 조형광원을 조사하여 용융 및 적층하는 방식 또는 DED 와 같은 조형광원으로 재료를 직접 용융 및 적층하는 방식에 모두 가능하나 이에 한정되지 않고 다른 금속 3D 프린팅 방식이어도 가능하다. 다만 PBF 방식이 보다 바람직하다. 상기 조형광원으로는 레이저와 전자빔 모두 가능하지만, 전자빔을 사용하는 전자빔용해방식(Electron Beam Melting, EBM)이 보다 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 금속소재의 입체 조형방법의 각 단계별로 상술하는 방식으로 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
첫째, 3D 프린팅의 공정변수를 설정한다.
제조하고자 하는 입체 조형물의 3D CAD 데이터를 참조하여 요구되는 기계적 물성에 맞추어 3D 프린팅의 공정변수를 설정한다. 상기 공정변수는 스캔속도 및 전류밀도 중 하나 이상일 수 있다. 스캔속도와 전류밀도는 3D 프린팅에 사용되는 금속소재를 용융시키는 조형광원에 대한 공정변수로, 스캔속도는 조형광원이 금속소재에 조사되는 속도로 초당 조사되는 길이로 나타낸다. 스캔속도가 느릴수록, 전류밀도가 높을수록 금속소재에 가해지는 에너지는 증가하게 된다. 상기 스캔속도 및 전류밀도는 하기 식 1에서 계산되는 라인에너지(Eline)가 목표로 하는 미세조직을 형성하기 위한 소정의 값을 갖도록 조절될 수 있다.
[식 1]
Eline=P/νscan=VI/νscan
(Eline은 라인에너지(kJ/m), P는 전력(W), νscan은 스캔속도(mm/s), V는 전압, I는 전류밀도(mA)를 나타냄)
3D 프린터에서 조형광원의 조사는 일정한 전압 하에서 이뤄지므로 라인에너지 값은 스캔속도와 전류밀도의 값에 따라 변화하게 된다. 상기 라인에너지 값이 클수록 금속분말에 국소적으로 고에너지가 가해지게 되고, 이에 따라 금속분말이 순간적으로 용융되었다가 다시 급속으로 냉각, 고화되면서 미세조직의 구조, 크기, 방향성 등이 변하게 된다. 다만, 라인에너지 값이 너무 낮으면 금속소재의 용융열이 불충분하여 원하는 형상의 제품이 제작되지 않을 수 있고, 라인에너지 값이 너무 높으면 용융열의 집중으로 인하여 조사하는 부분 이외에 주변에도 용융이 발생하기 때문에 원하는 형상의 제품이 제작되지 않을 수 있다.
둘째, 3D 프린터에 입체 조형물의 재료가 되는 금속분말을 공급한다.
상기 금속소재는 3D 프린터에서 활용 가능한 Al, Ti, Cu, Ni, Fe, Co, Cr, Si로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 티타늄(Ti) 합금, 철(Fe) 합금, 인코넬(Inconel) 합금, 니켈-크롬(Ni-Cr) 합금 또는 코발트-크롬(Co-Cr) 합금도 선택될 수 있다. 또한, 상기 분말의 평균 입자크기는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 평균 입자크기가 너무 작은 경우, 금속분말의 유동성이 저하할 우려가 있고, 평균 입자크기가 너무 큰 경우, 금속분말의 용융이 불충분할 수 있다.
PBF방식의 경우에는 상기 공급되는 금속소재가 3D 프린터의 플랫폼에 도포되어 금속분말층을 형성하고, 첫째 단계에서 설정되는 공정변수에는 상기 분말층의 두께가 더 포함될 수 있다. 상기 분말층의 두께는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 상기 분말층의 두께가 너무 두꺼우면 표면과 내부간에 균일한 미세조직 형성이 어려울 수 있고, 두께가 너무 얇으면 잦은 적층으로 제조비용과 시간이 증가하게 된다.
셋째 및 넷째, 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융시킨 다음, 냉각 및 고화시켜 상기 금속소재의 하나의 레이어를 형성한다.
조형광원이 조사하는 고에너지에 의해 금속분말이 용융되고 바로 급속으로 냉각, 고화되면서 결정립이 성장하면서 미세조직을 형성하게 된다. 첫째 단계에서 설정된 공정변수에 따라 상기 금속분말에 가해지는 에너지의 양이 변화하면서 결정립의 형상과 방향성이 변화하게 된다.
상기 미세조직은 상기 라인에너지에 따라 등축조직, 혼합조직, 층상조직 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 또한 상기 라인에너지는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 조형광원의 조사에너지, 즉 라인에너지의 수치가 낮은 경우에는 일정방향으로 결정립이 연신한 모양의 층상조직이 생성된다. 층상조직은 높은 전위 밀도를 갖게 하여 인장강도와 경도를 향상시킨다. 대신에 연신율은 감소하여 연성이 줄어들어 성형성은 떨어지게 된다. 라인에너지가 증가할수록 금속소재의 미세조직은 층상조직과 등축조직이 섞여 있는 혼합조직을 거쳐 등축조직으로 변화해가며, 결정립 성장에 따라 결정립의 크기도 증가하면서 결정입계의 감소로 인해 강도와 경도는 감소하지만 연성은 증가하게 된다. 결정립의 크기, 모양과 같은 형상뿐만 아니라 결정립의 방향성도 제어된다. 본 발명에 따라 형성되는 미세조직에서 결정립이 특정 결정방위로 많이 형성되는 경우, 그로 인해 금속 조형품의 기계적 성질이 방향에 따라 달라지는 이방성을 가질 수 있다. 반면, 결정립의 결정방위가 랜덤하게 형성된다면 금속 조형품의 기계적 성질이 등방성을 가질 수 있다. 따라서 3D 프린팅의 공정변수를 제어함에 따라 미세조직을 조절하여 제조하고자 하는 입체 조형물에서 원하는 강도, 경도, 연성 등의 기계적 물성을 획득할 수 있게 된다.
둘째 단계에서의 분말층의 두께 대신에 상기 레이어의 두께를 공정변수로 설정하여 제어할 수 있다. 상기 레이어의 두께도 또한 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 상기 레이어의 두께가 너무 두꺼우면 표면과 내부간에 균일한 미세조직 형성이 어려울 수 있고, 두께가 너무 얇으면 잦은 적층으로 제조비용과 시간이 증가하게 된다.
전자빔을 조형광원으로 하는 PBF 방식의 경우, 셋째 단계 전에 전자빔의 조사를 위해3D 프린터 장치 내부를 감압하는 단계를 포함할 수 있다. 감압은 적합하게는 1×10- 4torr 이하로 유지될 수 있다.
또한, 본 셋째 단계 이전에 공급된 상기 금속분말을 예열하는 단계를 더 포함할 수 있다. PBF방식의 경우 3D 프린터의 플랫폼에 도포되어 형성되는 금속분말층을 미리 예열한다. 적층성형 전에 미리 분말층을 예열함으로써, 금속분말의 용융, 응고로 인해 발생하는 금속소재 제품 내부의 잔류응력을 저하시키기 위함이다. 예열수단은 특별히 제한되지 않으며 조형광원을 조사해서 예열하는 것도 가능하다.
또한, 상기 공정변수에는 예열온도가 더 포함될 수 있어서, 제작하고자 하는 금속소재 입체 조형물의 요구되는 기계적 물성에 맞추어 첫째 단계에서 예열온도도 설정할 수 있다. 예열온도의 범위는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 예열온도가 낮은 경우 3D 프린팅 공정에서 발생하는 잔류응력이 증가하고 이로 인하여 입체 조형물 내부에 균열이 발생할 수 있다. 예열온도가 높은 경우에는 상기 금속분말이 조사 전에 미리 용융, 고화할 우려가 있다.
다섯째, 금속소재 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 둘째 내지 넷째 단계를 반복하여 적층한다. 예를 들어 PBF 방식의 경우에는 3D 프린터의 플랫폼을 상기 생성된 하나의 레이어 두께만큼 하강시켜서 그 위에 다시 금속분말을 공급하여 분말층을 형성하여 상기 단계가 반복될 수 있게 한다. 이러한 단계를 거쳐 원하는 기계적 물성을 갖춘 금속소재 입체 조형물을 제조한다.
종래기술은 원하는 금속소재의 미세조직을 얻기 위해 금속소재의 용해, 주조 후 소성가공 및 열처리 공정을 통해서 결정립의 형상 및 방향성의 제어가 가능하였으나, 본 발명에 의할 경우, 3D 프린팅을 이용하여 스캔속도, 전류밀도의 공정변수를 제어하여 조형광원의 조사를 통한 상기 금속소재의 용융, 고화에 의해 원하는 미세조직 및 기계적 물성을 획득할 수 있어 추가적인 후처리 과정이 불필요하게 되므로 공정이 단축되고 이에 따른 시간과 비용이 절감된다는 효과를 갖는다.
또한 구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 의하면 3D 프린팅을 이용한 순수 티타늄(Ti)의 입체 조형방법에 있어서, (a) 3D프린팅의 공정변수를 설정하는 단계; (b) 순수 티타늄분말을 공급하는 단계; (c) 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 순수 티타늄분말을 용융시키는 단계; (d) 상기 용융된 순수 티타늄분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 순수 티타늄의 하나의 레이어를 형성하는 단계; (e) 순수 티타늄의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (b)~(d)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (d)단계에서의 레이어 내부에서의 미세조직은 상기 (a)단계에서의 설정된 공정변수에 의해 제어되어 상기 순수 티타늄의 기계적 물성을 조절하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 순수 티타늄의 입체 조형방법을 제공한다.
이하 본 발명에 따른 3D 프린팅을 이용한 순수 티타늄의 입체 조형방법의 각 단계별로 상술하는 방식으로 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
첫째, 3D 프린팅의 공정변수를 설정한다.
상기 공정변수는 스캔속도 및 전류밀도 중 하나 이상이고, 상기 스캔속도 및 전류밀도의 범위는 하기 식 1에서 라인에너지(Eline)가 0.17 내지 0.60kJ/m 의 값을 갖도록 만족할 수 있다.
[식 1]
Eline=P/νscan=VI/νscan
(Eline은 라인에너지(kJ/m), P는 전력(W), νscan은 스캔속도(mm/s), V는 전압, I는 전류밀도(mA)를 나타냄)
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류밀도와 스캔속도의 관계에서 라인에너지의 최적 범위를 나타낸 그래프이다. 도 1을 참고하면 상기 도 1의 그래프에서 빨간색에서 검은색까지 라인에너지 값에 따라 색의 변화를 표시하였으며, 그 색이 나타내는 라인에너지 값도 표시하였다. 전류밀도가 클수록, 스캔속도가 작을수록 라인에너지 값이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 도 1의 그래프에서 표시되어 있는 점은 후술할 실시예에서 실시했던 스캔속도와 전류밀도의 조건을 표시한 것이다. 가운데 짙은 회색 영역은 본 발명에 따른 순수 티타늄의 미세조직 제어방법의 최적화 영역을 표시한 것이다. 라인에너지 값이 0.17kJ/m 미만인 경우, 순수 티타늄의 용융에 필요한 용융열이 불충분하기 때문에 원하는 형상의 제품이 제작되지 않을 수 있고, 라인에너지 값이 0.60kJ/m을 초과하면, 과도한 용융열로 인하여 조사하는 부분 이외에 주변에도 용융이 발생하기 때문에 원하는 형상의 제품 제작되지 않을 수 있다.
상기 스캔속도는 100mm/s ~ 8000mm/s 일 수 있다. 8000mm/s 보다 높은 경우에는 조사시간이 짧아 조사되는 부분에 충분한 에너지 전달이 어려울 수 있고, 100mm/s 보다 낮은 경우에는 조사 부분 이외에 주변에도 용융이 발생할 수 있다.
또한, 상기 전류밀도는 2~32mA 일 수 있다. 2mA 미만인 경우에는 조사되는 에너지가 적어 충분한 용융이 일어나지 못할 수 있고, 32mA 초과한 경우에는 과도한 에너지의 전달로 인해 조사 부분 이외에 주변에도 용융이 발생할 수 있다.
둘째, 3D 프린터에 입체 조형물의 재료가 되는 순수 티타늄분말을 공급한다.
상기 순수 티타늄은 석출상을 이루는 소량의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함할 수 있다. 예를 들어 ASTM Grade 2 티타늄의 경우 0.3중량% 미만의 철을 포함하는 순수 티타늄이다. 또한, 상기 분말의 평균 입자크기는 10 ~ 150μm일 수 있다. 평균 입자크기가 10μm 미만인 경우, 순수 티타늄분말의 유동성이 저하할 우려가 있고, 150μm를 초과하는 경우, 순수 티타늄분말의 용융이 불충분할 수 있다.
PBF 방식의 경우 첫째 단계에서 설정되는 공정변수에는 3D 프린터의 플랫폼에 도포되어 형성되는 순수 티타늄분말층의 두께가 더 포함될 수 있다. 상기 순수 티타늄분말은 플랫폼 상에 50 내지 200μm 두께의 분말층으로 공급될 수 있다. 상기 분말층의 두께가 200μm를 초과하면 표면과 내부간에 균일한 미세조직의 형성이 어려울 수 있고, 두께가 50μm 미만이면 잦은 적층으로 제조비용과 시간이 증가하게 된다.
셋째 및 넷째, 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 순수 티타늄분말을 용융시킨 다음, 냉각 및 고화시켜 상기 순수 티타늄의 하나의 레이어를 형성한다.
조형광원이 조사하는 고에너지에 의해 순수 티타늄분말이 용융되고 바로 급속으로 냉각 및 고화되면서 결정립이 성장하면서 미세조직을 형성하게 된다. 첫째 단계에서 설정된 공정변수에 따라 상기 순수 티타늄에 가해지는 에너지의 양이 변화하면서 결정립의 형상도 변화하게 된다. 상기 단계에서 형성되는 미세조직의 결정립의 크기는 10μm ~ 300μm일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 미세조직(전자후방산란회절, EBSD) 중 층상조직을 나타낸 사진이다. 도 2를 참조하면 상기 Eline이 0.17~0.24 kJ/m 인 경우, 순수 티타늄의 미세조직은 도 2와 같은 층상조직을 형성할 수 있다. 순수 티타늄 결정립은 3D 프린팅의 적층방향(build direction, BD)으로 길게 연신되어 있으며, 등축 조직에 비해 변형 정도가 증가하여 상기 순수 티타늄의 전위 밀도는 높아져서 변형에 필요한 응력이 늘어나므로 층상조직이 형성된 경우, 강도와 경도가 증가한다. 도 2의 경우에는 EBSD에서 나타나는 표면의 색이 비슷하여 특정 결정방위가 많이 형성되었음을 확인할 수 있다. 이러한 경우, 제조된 입체 조형물의 기계적 물성은 이방성을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 미세조직(전자후방산란회절, EBSD) 중 혼합조직을 나타낸 사진이다. 도 3을 참조하면 상기 Eline이 0.25~0.42 kJ/m 인 경우, 순수 티타늄의 미세조직은 도 3과 같은 혼합조직을 형성할 수 있다. 혼합조직은 층상조직과 등축조직이 섞여있는 형태를 갖고, 상기 도 2의 층상조직을 갖는 순수 티타늄에 비하여 연신율은 증가하나, 강도, 경도는 감소한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 미세조직(전자후방산란회절, EBSD)중 등축조직을 나타낸 사진이다. 도 4를 참조하면 상기 Eline이 0.43~0.60 kJ/m 인 경우, 순수 티타늄의 미세조직은 도 4와 같은 등축조직을 형성할 수 있다. 상기 순수 티타늄은 고에너지가 조사되므로 상대적으로 더 고온에서 열처리가 진행되어 변형률이 없는 등방형 결정립을 형성하고 결정립 성장에 의해 결정립의 크기가 커져 연성이 증가하는 대신 강도와 경도는 낮아지게 된다. 도 4의 경우에는 색이 다양하게 나타나 결정방위가 랜덤하게 형성되었음을 확인할 수 있다. 이러한 경우, 제조된 입체 조형물의 기계적 물성은 등방성을 가질 수 있다.
둘째 단계에서의 분말층 대신에 상기 레이어의 두께를 공정변수로 설정하여 제어할 수 있다. 상기 레이어의 두께는50 내지 200μm 일 수 있다. 상기 레이어의 두께가 200μm를 초과하면 표면과 내부간에 균일한 미세조직의 형성이 어려울 수 있고, 두께가 50μm 미만이면 잦은 적층으로 제조비용과 시간이 증가하게 된다.
전자빔을 조형광원으로 하는 PBF 방식의 경우, 셋째 단계 전에 전자빔의 조사를 위해3D 프린터 장치 내부를 감압하는 단계를 포함할 수 있다. 감압은 적합하게는 1×10- 4torr 이하로 유지될 수 있다.
또한, 본 셋째 단계 이전에 공급된 상기 순수 티타늄분말을 예열하는 단계를 더 포함할 수 있다. PBF방식의 경우 3D 프린터의 플랫폼에 도포되어 형성되는 순수 티타늄분말층을 미리 예열한다. 적층성형 전에 미리 분말층을 예열함으로써, 순수 티타늄분말의 용융, 응고로 인해 발생하는 금속소재 제품 내부의 잔류응력을 저하시키기 위함이다. 예열수단은 특별히 제한되지 않으며 조형광원을 조사해서 예열하는 것도 가능하다.
또한, 상기 공정변수에는 예열온도가 더 포함될 수 있어서, 제작하고자 하는 순수 티타늄 입체 조형물의 요구되는 기계적 물성에 맞추어 첫째 단계에서 예열온도도 설정할 수 있다. 예열온도의 범위는 600~700℃ 일 수 있고, 예열온도가 600℃ 보다 낮은 경우 3D 프린터를 이용해 제조된 순수 티타늄 입체 조형물에 잔존하는 잔류응력에 의해 균열이 발생할 수 있다. 잔존하는 잔류응력은 100MPa 이하임이 바람직하다. 예열온도가 700℃보다 높은 경우에는 상기 순수 티타늄이 조사 전에 미리 용융, 고화할 우려가 있다.
다섯째, 순수 티타늄의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 둘째 내지 넷째 단계를 반복하여 적층한다. 예를 들어 PBF 방식의 경우에는 3D 프린터의 플랫폼을 상기 생성된 하나의 레이어의 두께만큼 하강시켜서 그 위에 다시 순수 티타늄분말층을 형성하여 상기 단계가 반복될 수 있게 한다. 이러한 단계를 거쳐 원하는 기계적 물성을 갖춘 순수 티타늄의 입체 조형물을 제조한다.
상기 실시예와 같이 라인에너지 값의 범위에 따라 순수 티타늄의 미세조직을 제어하여 기계적 물성을 변화시켜 제품에 요구되는 특성에 정밀하게 맞추어 순수 티타늄 소재 입체 조형물을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 금속소재의 입체 조형방법으로 제조된 금속소재의 입체 조형물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 순수 티타늄의 입체 조형방법으로 제조된 순수 티타늄의 입체 조형물을 제공한다.
이하, 본 발명에 대한 실시예를 기재한다. 다만, 하기 실시예들에 의해서 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
전자빔을 조형광원으로 하는 3D 프린터 장치(ARCAM사 제품)의 플랫폼상에 평균 입경 40μm의 순수 티타늄 분말(ASTM Grade 2 규격)을 도포하여 100μm 두께의 분말층을 형성하였다. 다음으로 내부를 1×10- 4torr 이하로 감압하여 유지하는 상태에서 상기 분말층을 650℃ 온도로 예열하였다. 상기 순수 티타늄분말층에 전자빔(전압 60kV)을 스캔속도 500mm/s, 전류밀도 2mA의 조건에서 3차원 CAD데이터에 기초하여 조사하여 용융 후 냉각 및 고화시켜 하나의 순수 티타늄 레이어를 형성하였다.
그 후, 레이어 두께만큼 플랫폼을 하강한 다음 순수 티타늄분말을 다시 공급하여 새롭게 분말층을 형성한 다음, 상기와 동일한 조건으로 예열 한 다음에 전자빔을 조사하여 용융 후 냉각 및 고화시켜 새로 순수 티타늄 레이어를 형성하였다.
상기 분말층을 형성하는 공정, 예열하는 공정, 전자빔을 조사하여 용융시키는 공정, 상기 분말층을 냉각 및 고화시켜 레이어를 형성하는 공정을 반복 수행하여 순수 티타늄 소재 입체 조형물을 제조하였다.
[실시예 2]
전류밀도가 3mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 3]
전류밀도가 4mA, 예열온도가 600℃ 인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 4]
스캔속도가 1000mm/s, 예열온도가 600℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 5]
스캔속도가 1000mm/s, 전류밀도가 3mA, 예열온도가 600℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 6]
스캔속도가 1000mm/s, 전류밀도가 4mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 7]
스캔속도가 1000mm/s, 전류밀도가 6mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 8]
스캔속도가 1500mm/s, 전류밀도가 3mA, 예열온도가 700℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 9]
스캔속도가 1500mm/s, 전류밀도가 4mA, 예열온도가 700℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 10]
스캔속도가 1500mm/s, 전류밀도가 6mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 11]
스캔속도가 1500mm/s, 전류밀도가 9mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 12]
스캔속도가 100mm/s인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 13]
스캔속도가 200mm/s인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 14]
스캔속도가 300mm/s인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 15]
전류밀도가 14mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 16]
스캔속도가 1000mm/s, 전류밀도가 14mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 17]
스캔속도가 2000mm/s, 전류밀도가 14mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 18]
스캔속도가 1000mm/s, 전류밀도가 22mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 19]
스캔속도가 2000mm/s, 전류밀도가 22mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 20]
스캔속도가 4000mm/s, 전류밀도가 22mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 21]
스캔속도가 8000mm/s, 전류밀도가 22mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 22]
스캔속도가 2000mm/s, 전류밀도가 32mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 23]
스캔속도가 4000mm/s, 전류밀도가 32mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 24]
스캔속도가 8000mm/s, 전류밀도가 32mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[물성 평가]
상기 실시예에 의해 제조된 순수 티타늄 소재 입체 조형물들의 미세조직, 인장강도, 연신율, 경도에 대해서 측정하였다. 측정 결과를 표 1로 나타내었다.
Figure 112015120405192-pat00001
[분석방법]
(1) 인장 강도 및 연신율: 방전 가공기를 이용하여 입체 조형물로부터 3D 프린팅의 적층방향(build direction, BD)과 평행한 방향의 시편을 제작한 후, 인장 시험 장치(모델명: ASG-X; 제조사: Shimazu, 일본)를 이용하여 시편에 적층방향으로 응력을 가하면서 시편이 절단되었을 때의 응력 및 늘어난 비율을 측정하였다.
(2) 비커스 경도(Vickers hardness, HV): 입체 조형물의 비커스 경도는 경도 시험 장치(모델명: HM-200; 제조사 Mitutoyo, 일본)를 이용하여 측정하였다.
상기 결과를 살펴보면, 실시예의 미세조직 형상은 라인에너지 값이 증가할수록 층상조직에서 혼합조직, 등축조직 순으로 변화하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 라인에너지 값이 증가함에 따라 대체적으로 강도와 경도는 감소하고, 반비례하여 연신율은 증가하는 것을 확인할 수 있다. 예열온도는 라인에너지의 변수인 스캔속도와 전류밀도와 비교하면 미세조직이나 기계적 물성과 경향성이 낮은 편이지만, 실시예 4와 실시예 8을 비교하였을 때, 예열온도가 올라감에 따라 강도가 감소되었는데, 고온에서 잔류응력 발생 감소로 인한 것이라 분석된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (26)

  1. 3D 프린팅을 이용한 순수 티타늄(Ti)의 입체 조형방법에 있어서,
    (a) 순수 티타늄분말에 가해지는 에너지의 양이 변화되도록 3D프린팅의 공정변수인 스캔속도 및 전류밀도 중 하나 이상을 설정하는 단계;
    (b) 순수 티타늄분말을 공급하는 단계;
    (c) 3D 프린팅에 사용되는 조형광원의 고에너지를 선택적으로 조사하여 상기 순수 티타늄분말을 순간적으로 용융시키는 단계;
    (d) 상기 용융된 순수 티타늄분말을 급속으로 냉각 및 고화함으로써 미세조직의 구조, 크기, 방향성을 변화시키면서 상기 순수 티타늄의 하나의 레이어를 형성하는 단계;
    (e) 상기 순수 티타늄의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (b)~(d)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고,
    상기 (a)단계에서, 상기 스캔속도는 100mm/s 내지 8000mm/s, 상기 전류밀도는 2mA 내지 32mA로 제어되며,
    상기 (b)단계에서의 상기 순수 티타늄분말의 평균 입자크기는 10μm 내지 150μm로 제어되고,
    상기 (d)단계에서의 상기 레이어의 두께는 50μm 내지 200μm로 제어되며,
    상기 (d)단계에서의 레이어 내부에서의 상기 미세조직은 결정립의 형상 및 방향성 중 하나 이상이 상기 (a)단계에서의 설정된 공정변수에 의해 제어되어, 상기 순수 티타늄의 기계적 물성을 조절하며,
    상기 미세조직은 하기 식 1의 라인에너지(Eline)에 따라, 등축조직, 혼합조직, 층상조직 중 어느 하나로 형성되고,
    상기 (a)단계에서, 상기 스캔속도 및 상기 전류밀도는, 목표로 하는 미세조직이 형성될 수 있는 라인에너지 값을 갖도록 설정되며,
    상기 스캔속도 및 상기 전류밀도는, 상기 순수 티타늄의 미세조직이 층상조직으로 형성되도록 할 때 상기 라인에너지(Eline) 값이 0.17~0.24 kJ/m 가 되도록 제어되며,
    상기 스캔속도 및 상기 전류밀도는, 순수 티타늄의 미세조직이 혼합조직으로 형성되도록 할 때 상기 라인에너지(Eline) 값이 0.25~0.42 kJ/m 가 되도록 제어되고,
    상기 스캔속도 및 상기 전류밀도는, 순수 티타늄의 미세조직이 등축조직이 형성되도록 할 때 상기 라인에너지(Eline) 값이 0.43~0.60 kJ/m 가 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법.
    [식 1]
    Eline=P/νscan=VI/νscan
    (Eline은 라인에너지(kJ/m), P는 전력(W), νscan은 스캔속도(mm/s), V는 전압, I는 전류밀도(mA)를 나타냄)
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  8. 청구항 1에 있어서,
    3D 프린팅 방식은 파우더 베드에 조형광원을 조사하여 용융 및 적층하는 방식 또는 조형광원으로 재료를 직접 용융 및 적층하는 방식인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법.
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  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 공정변수에는 상기 (d)단계에서 형성되는 레이어의 두께가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 조형광원은 전자빔 또는 레이저인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법.
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  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 (b)단계와 상기 (c)단계의 사이에 공급된 상기 순수 티타늄분말을 예열하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 순수 티타늄의 입체 조형방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 공정변수에는 예열온도가 더 포함되고, 상기 예열온도는 600~700℃인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 순수 티타늄의 입체 조형방법.
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  24. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세조직의 결정립의 크기는 2μm ~ 800μm인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 순수 티타늄의 입체 조형방법.
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  26. 청구항 1의 방법으로 제조된 순수 티타늄의 입체 조형물.
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