KR101789682B1 - 대형제품이 제조가능한 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 있어서, (i) 금속소재의 용융에 필요한 에너지 밀도(energy density, E)를 계산하고 결정하는 단계; (ii) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 용융하기 위한 레이저와 관련된 공정변수가 설정되는 단계; (iii) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 열처리 에너지(Ea)를 계산하고 결정하는 단계; (iv) 상기 (iii)단계에서 결정된 열처리 에너지(Ea)에 따라 열처리하기 위한 레이저와 관련된 공정변수가 설정되는 단계; (v) 금속분말을 공급하는 단계; (vi) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각하여 하나의 레이어를 형성하는 단계; (vii) 상기 레이어에 상기 (iii)단계에서 결정된 열처리 에너지(Ea)에 따라 상기 레이저를 재조사하여 열처리를 하는 단계; (viii) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (v)~(vii)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (iii)단계에서 결정된 열처리 에너지는, 0.3E ≤ Ea ≤ 0.6E 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 변형없는 안정적인 대형 금속제품을 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 대형제품이 제조가능한 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 3D 프린팅을 이용하여 금속 제품을 제조하는 과정에서 한층의 레이어를 형성할 때마다 즉시 열처리를 하여 잔류응력을 해소하여 변형없이 안정적인 대형제품의 제조가 가능한 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 관한 것이다.
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 적층성형가공(additive manufacturing), 즉 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 개선 되어야 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.
PBF방식에서 레이저를 조형광원으로 이용하는 방식으로는 SLS(selective laser sintering), 또는 SLM(selective laser melting) 등이 있고, 전자빔을 조형광원으로 이용하는 방식으로 EBM(electron beam melting)이 있다. DED방식에서 레이저를 조형광원으로 이용하여 DMT(direct metal tooling)등이 있다.
이러한 금속소재의 적층성형 가공방법 중에 대표적인 SLM방식으로 제조한 대형 금속제품의 경우 제조과정에서 금속분말에 예열(pre-heating)을 하지 않아서 용융 및 급속 응고에 따른 열잔류응력이 발생하여 형상뒤틀림(shape distortion) 또는 균열(crack) 등 변형이 일어나는 문제점이 있다. EBM방식은 금속분말에 저에너지 밀도를 가하여 예열시켜 잔류응력을 해소시킬 수 있으나, 방식 구현을 위해 진공시스템이 필요하여 제품의 크기가 제한된다는 문제점이 있다.
유럽 공개특허 제 2944402호(발명의 명칭: Method for post-built heat treatment of additively manufactured components made of gamma-prime strengthened superalloys, 이하 종래기술 1이라 한다.)에서는, Ni 또는 Co 또는 Fe 또는 그것들의 조합을 기반으로 한 감마 프라임(γ') 강화 초합금으로 구성된 적층가공된 부품들의 사후 형성 열처리에 대한 방법으로서, a) 조립 상태에서 상기 적층가공된 부품을 제공하는 단계와, b) 상기 부품을 실온(RT)으로부터 소정 온도(T1)까지 가열하는 단계로서, T1은 열팽창 계수의 하락이 시작되는 온도(Ts) 미만의 50 내지 100℃인, 상기 부품을 가열하는 단계와, c) 균일한 부품 온도를 성취하기 위해서 상기 부품을 시간(t1) 동안 T1에서 보유하는 단계와, d) 상기 감마 프라임 상의 석출을 회피 또는 적어도 감소시키도록 T1에서 온도(T2)(T2 ≥ 850℃)로 적어도 25℃/min의 가열 속도(v2)로 빠른 가열을 적용하여 상기 부품을 가열하는 단계와, e) 상기 열처리의 목적에 따라 상기 부품에 추가의 시간/온도 단계들을 적용하는 단계를 포함하는 방법이 개시되어 있다.
종래기술 1은 SLM방식으로 제조한 금속제품의 잔류응력 제거, 해소를 위해 제품 제조한 다음, 별도의 사후 열처리 방법을 이용하고 있으나, 대형 금속제품의 경우에는 제조과정 중 누적된 잔류응력에 의해 제품이 완전히 제조되지 못하고 뒤틀리거나 크랙이 발생하고, 사후 별도의 열처리는 시간과 비용이 많이 소요된다는 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 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 있어서, (i) 금속소재의 종류에 따라 용융에 필요한 상이한 에너지 밀도(energy density, E)를 계산하고 결정하는 단계; (ii) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 금속소재를 용융하기 위한 레이저와 관련된 공정변수로써 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께가 설정되는 단계; (iii) 상기 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께의 값을 고정시킨 상태에서, 상기 (i) 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 도출하는 단계; (iv) 상기 (iii) 단계에 따라 도출된 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 기준으로 상기 금속소재의 용융 및 비용융 영역을 구분하고, 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가 설정되는 단계; (v) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 열처리 에너지(Ea)를 계산하고 결정함에 있어, 상기 금속소재의 잔류응력을 제거하고 열처리 시간을 단축시키기 위한 최소 열처리 에너지 값 및 금속소재 결정립의 조대화로 인한 물성 변화를 방지하기 위한 최대 열처리 에너지 값이 설정되는 단계; (vi) 상기 (iv)단계에서 구분된 용융 및 비용융 영역 중, 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가, 상기 (v)단계에서 설정된 상기 최소 열처리 에너지 값 및 최대 열처리 에너지 값에 따라 설정되는 단계; (vii) 금속분말을 공급하는 단계; (viii) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)와, 상기 (iv)단계에서 설정된 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각하여 하나의 레이어를 형성하는 단계; (ix) 상기 (viii)단계에서 형성된 하나의 레이어에, 상기 (vi)단계에서 설정된 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 재조사하여 열처리를 수행하고 상기 레이어에 잔존하는 잔류응력을 제거하는 단계; (x) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (vii)~(ix)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (v)단계에서 결정되는 열처리 에너지는, 0.3E ≤ Ea ≤ 0.6E 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법을 제공한다.
또한, 상기 (i)단계에서의 에너지 밀도는 상기 금속소재의 종류에 따라 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
E=Hc+Hf
(E는 에너지 밀도(J/mm3), Hc는 상기 금속소재가 상온에서 용융점까지 도달하기 위해 필요한 열용량, Hf는 상기 금속소재의 융해열이다.)
또한, 상기 (i)단계에서의 에너지 밀도는 상기 금속소재의 종류에 따라 하기 식 2를 만족할 수 있다.
[식 2]
E=Hc+Hf+Hp
(E는 에너지 밀도(J/mm3), Hc는 상기 금속소재가 상온에서 용융점까지 도달하기 위해 필요한 열용량, Hf는 상기 금속소재의 융해열, Hp는 상변태열이다.)
또한, 상기 공정변수는 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경, 또는 레이어 하나의 두께 중 어느 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 공정변수는 하기 식 3을 만족할 수 있다.
[식 3]
Ea=P/(ν×h×t)
(Ea는 열처리 에너지(J/mm3), P는 레이저의 출력(W=J/s), ν는 스캔속도(mm/s), h는 레이저 빔의 직경(mm), t는 레이어 하나의 두께(mm))
또한, 본 발명은 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 있어서, (a) 금속소재의 종류에 따라 용융에 필요한 상이한 에너지 밀도(energy density, E)를 계산하고 결정하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 금속소재를 용융하기 위한 레이저와 관련된 공정변수로써 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께가 설정되는 단계; (c) 상기 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께의 값을 고정시킨 상태에서, 상기 (a) 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 도출하는 단계; (d) 상기 (c) 단계에 따라 도출된 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 기준으로 상기 금속소재의 용융 및 비용융 영역을 구분하고, 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가 설정되는 단계; (e) 상기 (a)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 열처리 에너지(Ea)를 계산하고 결정함에 있어, 상기 금속소재의 잔류응력을 제거하고 열처리 시간을 단축시키기 위한 최소 열처리 에너지 값 및 상기 금속소재 결정립의 조대화로 인한 물성 변화를 방지하기 위한 최대 열처리 에너지 값이 설정되는 단계; (f) 상기 (d)단계에서 구분된 용융 및 비용융 영역 중, 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가, 상기 (e)단계에서 설정된 상기 최소 열처리 에너지 값 및 최대 열처리 에너지 값에 따라 설정되는 단계; (g) 금속분말을 공급하는 단계; (h) 상기 금속분말에 상기 (f)단계에서 설정된 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 조사하여 예열을 수행하고 상기 금속분말에 잔존하는 잔류응력을 미리 제거하는 단계; (i) 상기 (a)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)와, 상기 (d)단계에서 설정된 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각하여 하나의 레이어를 형성하는 단계; (j) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (g)~(i)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (e)단계에서 결정되는 열처리 에너지는, 0.3E ≤ Ea ≤ 0.6E 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 있어서, (ㄱ) 금속소재의 종류에 따라 용융에 필요한 상이한 에너지 밀도(energy density, E)를 계산하고 결정하는 단계; (ㄴ) 상기 (ㄱ)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 금속소재를 용융하기 위한 레이저와 관련된 공정변수로써 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께가 설정되는 단계; (ㄷ) 상기 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께의 값을 고정시킨 상태에서, 상기 (ㄱ) 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 도출하는 단계; (ㄹ) 상기 (ㄷ) 단계에 따라 도출된 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 기준으로 상기 금속소재의 용융 및 비용융 영역을 구분하고, 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 제1 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가 설정되는 단계; (ㅁ) 상기 (ㄱ)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 열처리 에너지(Ea)를 계산하고 결정함에 있어, 상기 금속소재의 잔류응력을 제거하고 열처리 시간을 단축시키기 위한 최소 열처리 에너지 값 및 상기 금속소재 결정립의 조대화로 인한 물성 변화를 방지하기 위한 최대 열처리 에너지 값이 설정되는 단계; (ㅂ) 상기 (ㄹ)단계에서 구분된 용융 및 비용융 영역 중, 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 제2 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가, 상기 (ㅁ)단계에서 설정된 상기 최소 열처리 에너지 값 및 최대 열처리 에너지 값에 따라 설정되는 단계; (ㅅ) 금속분말을 공급하는 단계; (ㅇ) 상기 (ㄱ)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)와, 상기 (ㄹ)단계에서 설정된 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 제1 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 제1 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각하여 하나의 레이어를 형성하는 단계; (ㅈ) 상기 (ㅇ)단계에서 형성된 하나의 레이어에, 상기 (ㅂ)단계에서 설정된 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 제2 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 제2 레이저를 선택적으로 재조사하여 열처리를 수행하고 상기 레이어에 잔존하는 잔류응력을 제거하는 단계; (ㅊ) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (ㅅ)~(ㅈ)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (ㅁ)단계에서 결정되는 열처리 에너지는, 0.3E ≤ Ea ≤ 0.6E 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법을 제공한다.
또한, 상기 금속소재는 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 납(Pb), 주석(Sn), 베릴륨(Be) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상으로 되는 합금일 수 있다.
또한, 상기 금속소재는 순수 타이타늄 또는 타이타늄 합금일 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 포함되는 열처리 제어 시스템에 있어서, 공급되는 금속소재의 종류가 입력되는 입력부; 금속소재 별 비열, 용융점, 융해열, 상변태열 값이 저장되어 있는 저장부; 상기 저장부에서 상기 입력된 금속소재의 종류에 맞는 값을 추출하여 용융에 필요한 에너지 밀도 및 열처리 에너지를 계산, 결정하고, 상기 열처리 에너지 값에 따라 레이저와 관련된 공정변수를 설정하는 제어부; 상기 제어부에서 구한 열처리 에너지에 따라 상기 금속소재에 레이저를 조사하여 열처리를 수행하는 레이저 출력부; 를 포함하는 열처리 제어 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 방법으로 제조된 금속소재 적층성형 가공제품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 방법을 이용하는 적층성형 가공장치를 제공한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법은 종래기술에 비해 3D 프린팅 공정과정 중에 한층의 레이어를 형성할 때마다 즉시 열처리를 하여 잔류응력을 해소하여, 뒤틀림이나 크랙 등의 변형이 없는 대형제품을 제조할 수 있고 시간과 비용이 절약된다는 제1 효과 및 잔류응력 해소에 필요한 에너지를 객관적으로 예측가능하여 안정적인 대형제품을 제조할 수 있다는 제2 효과를 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 종래의 SLM(selective laser melting)방식에 의해 제조된 금속소재 적층성형 가공제품과 6개월 후 상기 제품에 균열(crack)이 발생한 것을 나타내는 사진이다.
도 2는 에너지 밀도와 레이저와 관련된 공정변수와의 관계를 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정변수 중 레이저의 출력과 스캔속도와의 관계에서 순수 타이타늄의 용융 및 비용융 영역을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정변수 중 레이저의 출력과 스캔속도와의 관계에서 순수 타이타늄의 열처리 최적영역을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 에너지 밀도와 레이저와 관련된 공정변수와의 관계를 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정변수 중 레이저의 출력과 스캔속도와의 관계에서 순수 타이타늄의 용융 및 비용융 영역을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정변수 중 레이저의 출력과 스캔속도와의 관계에서 순수 타이타늄의 열처리 최적영역을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
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.
도 1은 종래의 SLM(selective laser melting)방식에 의해 제조된 금속소재 적층성형 가공제품과 6개월 후 상기 제품에 균열(crack)이 발생한 것을 나타내는 사진이다. 도 1을 참조하면, 도 1의 (a)는 SLM 방식을 이용하여 제조한 대형 금속 제품이며, 도 1의 (b)를 살펴보면 6개월이 경과한 후 상기 제품에 균열 등의 변형이 발생한 것을 확인할 수 있다. 원인은 레이저 조사에 의해 금속분말에 용융과 냉각이 반복적으로 이루어지면서 발생하는 열잔류응력 때문이다. 잔존하는 잔류응력에 의해 제품의 변형이 발생하는데, 이를 방지하기 위해 종래에는 적층성형 가공하여 금속 제품을 완성한 후에 열처리를 하였다. 그러나 대형제품의 경우에는 열처리를 실시하지 않으면 제조과정 중 누적된 잔류응력에 의해 도 1과 같은 변형의 문제점을 갖게 되고, 사후 별도의 열처리를 하는 경우 시간과 비용이 많이 소요된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 있어서, (i) 금속소재의 종류에 따라 용융에 필요한 상이한 에너지 밀도(energy density, E)를 계산하고 결정하는 단계; (ii) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 금속소재를 용융하기 위한 레이저와 관련된 공정변수로써 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께가 설정되는 단계; (iii) 상기 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께의 값을 고정시킨 상태에서, 상기 (i) 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 도출하는 단계; (iv) 상기 (iii) 단계에 따라 도출된 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 기준으로 상기 금속소재의 용융 및 비용융 영역을 구분하고, 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가 설정되는 단계; (v) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 열처리 에너지(Ea)를 계산하고 결정함에 있어, 상기 금속소재의 잔류응력을 제거하고 열처리 시간을 단축시키기 위한 최소 열처리 에너지 값 및 상기 금속소재 결정립의 조대화로 인한 물성 변화를 방지하기 위한 최대 열처리 에너지 값이 설정되는 단계; (vi) 상기 (iv)단계에서 구분된 용융 및 비용융 영역 중, 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가, 상기 (v)단계에서 설정된 상기 최소 열처리 에너지 값 및 최대 열처리 에너지 값에 따라 설정되는 단계; (vii) 금속분말을 공급하는 단계; (viii) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)와, 상기 (iv)단계에서 설정된 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각하여 하나의 레이어를 형성하는 단계; (ix) 상기 (viii)단계에서 형성된 하나의 레이어에, 상기 (vi)단계에서 설정된 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 재조사하여 열처리를 수행하고 상기 레이어에 잔존하는 잔류응력을 제거하는 단계; (x) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (vii)~(ix)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (v)단계에서 결정되는 열처리 에너지는, 0.3E ≤ Ea ≤ 0.6E 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법을 제공한다.
이하 본 발명에 따른 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법의 각 단계별로 상술하는 방식으로 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
첫째, 금속소재의 용융에 필요한 에너지 밀도(E)를 계산하고 결정한다.
레이저를 이용한 금속소재 적층성형 가공방법(additive manufacturing), 즉 3D 프린팅 방법으로는 PBF(powder bed fusion)방식에서 SLS(selective laser sintering), 또는 SLM(selective laser melting) 등이 있고, DED(direct energy deposition)방식에서 DMT(direct metal tooling) 등이 있다. 본 발명은 상기 적층성형 가공방법의 종류에 한정되지 않으며, 레이저를 조형광원으로 하는 금속 3D 프린팅 방법의 어느 경우라도 적용할 수 있다.
SLM 방식에서 금속제품을 제조하기 위해서는 후술하듯이 금속분말에 레이저를 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각시켜 레이어를 형성시켜야 한다. 따라서 레이저로 조사되는 에너지는 금속분말을 용융시킬 정도의 에너지 밀도를 조사해야 하므로 제조하려는 금속소재의 종류에 따라 용융에 필요한 에너지 밀도를 계산하고 결정한다. 상기 단계에서의 에너지 밀도는 상기 금속소재의 종류에 따라 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
E=Hc+Hf
(E는 에너지 밀도(J/mm3), Hc는 상기 금속소재가 상온에서 용융점까지 도달하기 위해 필요한 열용량, Hf는 상기 금속소재의 융해열이다.)
또한, 상기 단계에서의 에너지 밀도는 상기 금속소재의 종류에 따라 하기 식 2를 만족할 수 있다.
[식 2]
E=Hc+Hf+Hp
(E는 에너지 밀도(J/mm3), Hc는 상기 금속소재가 상온에서 용융점까지 도달하기 위해 필요한 열용량, Hf는 상기 금속소재의 융해열, Hp는 상변태열이다.)
Hc는 하기 식 3을 이용하여 구할 수 있다.
[식 3]
Hc=m×c×dT
여기서 m은 상기 금속소재의 단위밀도(g/cm3)이고, c는 상기 금속소재의 비열(J/g·K)이고, dT는 상온에서 용융점까지의 온도변화량이다. 상기 금속소재의 단위밀도, 비열, 용융점은 기존의 연구데이터를 활용할 수 있다. 융해열인 Hf(kJ/mol)와, 상기 금속소재가 고체 상태에서 액체 상태로 변하는 과정에서 상변태도 동반되는 경우 상변태열인 Hp(kJ/kg) 또한 기존의 연구데이터, 논문 등에서 자료를 얻을 수 있다. 다만, 에너지 밀도 E (J/mm3)의 단위에 맞추어 Hf(kJ/mol)에는 상기 금속소재 1몰당 부피(cm3/mol)를 곱하고, Hp(kJ/kg)에는 단위 밀도를 곱하여 환산한다.
예를 들어, 순수 타이타늄(pure Ti)을 금속소재로 하는 경우를 살펴본다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
순수 타이타늄의 열용량(Hc)은 m=4.51 x 10-3 g/mm3, c=0.52 J/g·K, dT=1635 K (298 K 에서 용융점까지의 온도변화량)을 대입하면 약 Hc=4.0J/mm3이다.
순수 타이타늄의 융해열(Hf)은 15.45 kJ/mol이고 여기에 타이타늄의 1몰당 부피 10.64 cm3/mol를 곱하면, 1.45 J/mm3이다.
순수 타이타늄의 α상에서 β상으로의 상변태열(Hp)은 89.9 kJ/kg이고, 여기에 단위 밀도 4.51 x 10-3 g/mm3를 곱하면, 0.40 J/mm3이다.
따라서, 순수 타이타늄의 용융에 필요한 에너지 밀도(E)는 E=4.0+1.45+0.40=5.85 J/mm3이다. 레이저는 표면열원으로 급속냉각되므로, 열전달에 의한 에너지 손실은 고려하지 않는다.
둘째, 상기 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 용융하기 위한 레이저와 관련된 공정변수가 설정된다.
도 2는 에너지 밀도와 레이저와 관련된 공정변수와의 관계를 설명하는 모식도이다. 도 2를 참조하면, 상기 식1 또는 식 2에 따라 계산되어 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 레이저와 관련된 공정변수가 설정된다. 상기 공정변수는 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경, 또는 레이어 하나의 두께 중 어느 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 공정변수는 하기 식 4를 만족할 수 있다.
[식 4]
E=P/(ν×h×t)
(P는 레이저의 출력(W=J/s), ν는 스캔속도(mm/s), h는 레이저 빔의 직경(mm), t는 레이어 하나의 두께(mm))
상기 공정변수에서 레이저의 출력은 상기 레이저에 공급되는 전력이고, 스캔속도는 레이저가 금속소재에 조사되는 속도로 초당 조사되는 길이로 나타낸다. 분모에서 스캔속도, 레이저 빔의 직경, 레이어 하나의 두께의 곱은 초당 레이저가 조사되는 부피를 나타내게 된다. 따라서, 레이저의 출력이 높을수록, 또는 스캔속도가 느리거나 레이저 빔의 직경, 레이어 하나의 두께가 작을수록 금속소재에 단위 부피당 가해지는 에너지는 증가하게 된다. 레이저 빔의 직경과 레이어 하나의 두께도 공정변수이지만, 3D 프린팅 과정에서 상황에 따라 조절, 통제할 수 있는 레이저의 출력과 스캔속도가 주된 공정변수가 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정변수 중 레이저의 출력과 스캔속도와의 관계에서 순수 타이타늄의 용융 및 비용융 영역을 나타내는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 금속소재를 순수 타이타늄으로 하는 경우, 레이저 빔의 직경(h)과 레이어 하나의 두께(t)가 고정되면 상기 스캔속도를 X축, 레이저의 출력을 Y축으로 하는 그래프에서 상기 식4는 하나의 직선으로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔의 직경이 0.1mm, 레이어 하나의 두께도 0.1mm로 고정하였다면, 에너지 밀도가 5.850 J/mm3이므로 상기 식 4는 P=0.0585ν로 나타낼 수 있고, 스캔속도와 레이저의 출력과의 그래프에서 도 3과 같은 그래프로 나타나고 직선의 기울기는 0.0585이다. 상기 직선을 경계로 순수 타이타늄을 용융시키거나 그렇지 않은 영역이 나누어지며, 직선 위의 용융영역에서 레이저의 출력과 스캔속도라는 공정변수가 순수 타이타늄의 용융을 위해 적절히 선택되어 설정된다.
셋째, 상기 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 열처리 에너지(Ea)를 계산하고 결정한다.
전술했던 그래프에서 에너지 밀도(E) 직선 아래 부분은 에너지를 가해도 금속소재가 용융되지 않은 비용융영역으로 열처리는 비용융영역 하의 에너지를 레이저로 조사해야 금속소재가 재용융되지 않고 잔류 응력만 제거될 수 있다. 그러한 비용융영역 하에서도 상기 단계에서 결정된 열처리 에너지(Ea)는, 0.3E ≤ Ea ≤ 0.6E 인 것을 특징으로 한다. 열처리 에너지가 0.3E 이하이면, 잔류응력을 제거하기에 충분하지 않고, 열처리에 오랜 시간이 필요할 수 있다. 열처리 에너지가 0.6E 이상이면 고에너지의 레이저 조사에 의해 금속소재 결정립의 조대화로 강도가 약해지는 등 기계적 물성이 변하는 문제점이 있다.
셋째 단계는 상기 둘째 단계에 앞서서 이루어질 수 있으며, 그 순서는 한정되지 않는다.
넷째, 상기 단계에서 결정된 열처리 에너지(Ea)에 따라 열처리하기 위한 레이저와 관련된 공정변수가 설정된다.
상기 공정변수는 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경, 또는 레이어 하나의 두께 중 어느 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 공정변수는 하기 식 5를 만족할 수 있다.
[식 5]
Ea=P/(ν×h×t)
(P는 레이저의 출력(W=J/s), ν는 스캔속도(mm/s), h는 레이저 빔의 직경(mm), t는 레이어 하나의 두께(mm))
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정변수 중 레이저의 출력과 스캔속도와의 관계에서 순수 타이타늄의 열처리 최적영역을 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 레이저 빔의 직경이 0.1mm, 레이어 하나의 두께도 0.1mm인 경우에 붉은색 점선 위의 영역은 순수 타이타늄의 용융영역이며, 그 아래 영역은 비용융 영역이다. 상기 붉은색 점선 위의 숫자는 순수 타이타늄의 용융에 필요한 에너지 밀도(E)값을 나타낸다. 상기 비용융 영역이 열처리를 하여 잔류응력을 해소할 수 있는 영역이며 상기 셋째 단계에서 구한 최적의 열처리 영역은 도 4의 그래프에서 짙은 회색 영역으로 표시하였다. 최적의 열처리 영역에 대한 설명은 전술하였으므로 생략하기로 한다.
다섯째, 금속분말을 공급한다.
상기 금속소재는 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 납(Pb), 주석(Sn), 베릴륨(Be) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상으로 되는 합금일 수 있다. 다만 공급되는 금속소재는 이에 한정되지 않으며, 3D 프린팅에 이용될 수 있는 모든 금속이나 합금이 포함될 수 있다. 또한, 상기 금속분말의 평균 입자크기는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다.
여섯째, 상기 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)와 공정변수에 따라 상기 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각하여 하나의 레이어를 형성한다.
레이저가 조사하는 에너지 밀도(E)에 의해 금속분말이 용융되고 바로 급속으로 냉각, 고화되면서 하나의 레이어를 형성한다. 본 단계에서 상기 형성된 레이어에 열잔류응력이 남아있게 되고, 제거하지 않은 경우 제품 제조 후 균열, 형상뒤틀림 등의 변형 문제점이 발생하게 된다.
일곱째, 상기 레이어에 상기 단계에서 결정된 열처리 에너지(Ea)에 따라 상기 레이저를 재조사하여 열처리를 한다.
상기 레이어에 잔존해 있는 잔류 응력을 제거하기 위해 하나의 레이어를 형성한 다음 바로 상기 레이저를 재조사하여 열처리를 수행한다. 상기 넷째 단계에서 설정된 공정변수, 즉 레이저의 출력(P), 스캔속도(ν)에 따라 상기 레이어에 가해지는 에너지의 양이 변화하면서 잔류응력 제거에 적절한 열처리가 진행된다. 본 발명에 따르면, 종래의 SLM방식이 예열(pre-heating)을 하지 않아 잔류응력이 남는다는 문제점과, 후처리로 열처리 수행시 대형 제품의 경우에는 별도의 열처리 과정을 거쳐야 해서 시간과 비용이 많이 소요된다는 문제점을 하나의 레이어 적층시마다 바로 열처리를 수행하는 공정을 추가하여 해결할 수 있다.
여덟째, 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 다섯째 내지 일곱째 단계를 반복하여 적층한다.
예를 들어. PBF 방식의 경우에는 플랫폼을 상기 생성된 하나의 레이어 두께만큼 하강시켜서 그 위에 다시 금속분말을 공급하여 분말층을 형성하여 상기 단계가 반복될 수 있게 한다. 또한, DED혹은 DMT 방식의 경우는 한 층을 제조 후 다음 층을 분사하여 제조하기 전에 잔류응력을 해소할 에너지를 조사하여 잔류응력을 해소한 다음, 다음 층을 반복 제조한다. 이러한 단계를 거쳐 잔류응력이 해소되어 균열, 형상뒤틀림 등의 제품 변형이 없는 안정적인 대형 금속 입체 조형물을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 있어서, (a) 금속소재의 종류에 따라 용융에 필요한 상이한 에너지 밀도(energy density, E)를 계산하고 결정하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 금속소재를 용융하기 위한 레이저와 관련된 공정변수로써 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께가 설정되는 단계; (c) 상기 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께의 값을 고정시킨 상태에서, 상기 (a) 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 도출하는 단계; (d) 상기 (c) 단계에 따라 도출된 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 기준으로 상기 금속소재의 용융 및 비용융 영역을 구분하고, 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가 설정되는 단계; (e) 상기 (a)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 열처리 에너지(Ea)를 계산하고 결정함에 있어, 상기 금속소재의 잔류응력을 제거하고 열처리 시간을 단축시키기 위한 최소 열처리 에너지 값 및 상기 금속소재 결정립의 조대화로 인한 물성 변화를 방지하기 위한 최대 열처리 에너지 값이 설정되는 단계; (f) 상기 (d)단계에서 구분된 용융 및 비용융 영역 중, 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가, 상기 (e)단계에서 설정된 상기 최소 열처리 에너지 값 및 최대 열처리 에너지 값에 따라 설정되는 단계; (g) 금속분말을 공급하는 단계; (h) 상기 금속분말에 상기 (f)단계에서 설정된 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 조사하여 예열을 수행하고 상기 금속분말에 잔존하는 잔류응력을 미리 제거하는 단계; (i) 상기 (a)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)와, 상기 (d)단계에서 설정된 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각하여 하나의 레이어를 형성하는 단계; (j) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (g)~(i)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (e)단계에서 결정되는 열처리 에너지는, 0.3E ≤ Ea ≤ 0.6E 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법을 제공한다.
상기 적층성형 가공방법은 하나의 레이어 형성후 레이저를 재조사하여 열처리하는 방법과 달리, 레이어를 형성하는 (i)단계 전에 공급된 금속분말층에 미리 레이저로 0.3E~0.6E에 해당하는 에너지를 조사하여 예열(pre-heating)시켜 열처리를 수행하는 방법으로 EBM방식에서 미리 분말층을 예열하는 방식과 유사하다. 다만, EBM에서 예열은 잔류응력과 상관없이 분말간 통전을 위한 가소결 작업이지만 예열에 의해 전체 온도가 올라가면서 간접적으로 잔류응력을 해소하나, 본 발명은 잔류응력 해소를 목적으로 예열하는 점에서 차이가 있다. 그리고 상기 예열 방식을 이용하는 경우에는 주변분말이 가소결 될 수 있어 적층공정시 내부 분말의 제거에 어려움이 있을 수 있으므로 예열시의 열처리 에너지가 지나치게 높아지는 것은 바람직하지 않다. 나머지 단계에 대한 설명은 전술한 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법과 중복되므로 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 있어서, (ㄱ) 금속소재의 종류에 따라 용융에 필요한 상이한 에너지 밀도(energy density, E)를 계산하고 결정하는 단계; (ㄴ) 상기 (ㄱ)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 금속소재를 용융하기 위한 레이저와 관련된 공정변수로써 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께가 설정되는 단계; (ㄷ) 상기 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께의 값을 고정시킨 상태에서, 상기 (ㄱ) 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 도출하는 단계; (ㄹ) 상기 (ㄷ) 단계에 따라 도출된 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 기준으로 상기 금속소재의 용융 및 비용융 영역을 구분하고, 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 제1 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가 설정되는 단계; (ㅁ) 상기 (ㄱ)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 열처리 에너지(Ea)를 계산하고 결정함에 있어, 상기 금속소재의 잔류응력을 제거하고 열처리 시간을 단축시키기 위한 최소 열처리 에너지 값 및 상기 금속소재 결정립의 조대화로 인한 물성 변화를 방지하기 위한 최대 열처리 에너지 값이 설정되는 단계; (ㅂ) 상기 (ㄹ)단계에서 구분된 용융 및 비용융 영역 중, 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 제2 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가, 상기 (ㅁ)단계에서 설정된 상기 최소 열처리 에너지 값 및 최대 열처리 에너지 값에 따라 설정되는 단계; (ㅅ) 금속분말을 공급하는 단계; (ㅇ) 상기 (ㄱ)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)와, 상기 (ㄹ)단계에서 설정된 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 제1 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 제1 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각하여 하나의 레이어를 형성하는 단계; (ㅈ) 상기 (ㅇ)단계에서 형성된 하나의 레이어에, 상기 (ㅂ)단계에서 설정된 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 제2 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 제2 레이저를 선택적으로 재조사하여 열처리를 수행하고 상기 레이어에 잔존하는 잔류응력을 제거하는 단계; (ㅊ) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (ㅅ)~(ㅈ)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (ㅁ)단계에서 결정되는 열처리 에너지는, 0.3E ≤ Ea ≤ 0.6E 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법을 제공한다.
상기 적층성형 가공방법은 앞의 첫번째 방법처럼 레이어를 형성한 다음 레이저를 재조사하여 열처리하는 방법에 있어서는 동일하나, 용융용인 제1 레이저와 열처리용인 제2 레이저를 별도로 두어 이용하는 것을 특징으로 한다. 기존의 3D 프린팅 장치에서 복합 소재를 적층하기 위해 2헤드 노즐을 구성했던 것과는 차이가 있는 것으로 별도의 열처리만을 위한 레이저를 구비하여 용융용 레이저와 별개로 조절할 수 있어 더 효과적인 열처리를 할 수 있다. 상기 적층성형 가공방법이 금속분말을 실시간으로 공급하며 즉시 레이저를 조사하는 방식인 DED 또는 DMT에 적용되는 경우, 열처리용 레이저 건을 추가해서 잔류응력을 적층과 동시에 해소할 수 있으므로 더 좋은 효과를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 모식도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명은 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 포함되는 열처리 제어 시스템에 있어서, 공급되는 금속소재의 종류가 입력되는 입력부(10); 금속소재 별 비열, 용융점, 융해열, 상변태열 값이 저장되어 있는 저장부(20); 상기 저장부에서 상기 입력된 금속소재의 종류에 맞는 값을 추출하여 용융에 필요한 에너지 밀도 및 열처리 에너지를 계산, 결정하고, 상기 열처리 에너지 값에 따라 레이저와 관련된 공정변수를 설정하는 제어부(30); 상기 제어부에서 구한 열처리 에너지에 따라 상기 금속소재에 레이저를 조사하여 열처리를 수행하는 레이저 출력부(40); 를 포함하는 열처리 제어 시스템을 제공한다.
입력부(10)는 제조하려는 제품의 소재가 되는 금속의 종류가 입력되는 기능을 수행한다. 예를 들어 사용자가 사용하려는 금속소재의 종류를 직접 입력할 수 있다.
저장부(20)는 적층성형 가공장치에서 사용될 수 있는 금속소재의 비열, 용융점, 융해열, 상변태열 값이 저장되어 있어 상기 입력부에서 입력된 금속소재의 종류에 맞추어 각 데이터를 제어부에 제공하는 기능을 수행한다. 상기 값은 기존에 공지된 데이터에서 획득하여 저장할 수 있으며, 서버를 별도로 두어 지속적으로 데이터를 업데이트 할 수 있다.
제어부(30)는 상기 저장부에서 상기 입력부에서 입력된 금속소재의 종류에 맞는 값을 추출하고, 추출된 값을 이용하여 용융에 필요한 에너지 밀도(E) 및 열처리 에너지(Ea)를 계산, 결정하는 기능을 수행한다. 용융에 필요한 에너지 밀도(E) 및 열처리 에너지를(Ea)를 계산, 결정하는 방법은 상기 식 1 내지 식 5를 이용하여 계산, 결정한다. 또한, 상기 결정된 열처리 에너지 값에 따라 레이저와 관련된 공정변수를 설정하는 기능을 더 수행한다. 주된 공정변수인 레이저의 출력과 스캔속도 이외에도 레이저 빔의 직경과 레이어의 두께도 상기 제어부에서 제어할 수 있다.
레이저 출력부(40)는 상기 제어부에서 구한 열처리 에너지에 따라 상기 금속소재에 레이저를 조사하여 열처리를 수행한다. 상기 레이저 출력부는 적층성형 가공장치의 용융용 레이저 출력부와 동일할 수 있지만, 별도로 열처리용 레이저 출력부를 두어 잔류응력 해소하게 할 수 있다. 또한, 상기 열처리는 금속소재의 레이어 형성 전에 예열하는 방법(전처리)으로 할 수 있고, 레이어 형성 후에 열처리(후처리)할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 방법으로 제조된 금속소재 적층성형 가공제품을 제공하고, 상기 본 발명에 따른 방법을 이용하는 적층성형 가공장치를 제공한다.
상기 본 발명에 따르면, 예열과정 없이 제조하여 발생한 잔류응력에 의해 금속제품이 균열, 형상뒤틀림 등의 변형이 일어나는 것을 방지할 수 있고, 레이어 적층시마다 즉각적인 열처리를 수행하여 대형 제품 제조할 때 변형없는 안정적인 대형제품을 제조할 수 있다. 또한, 잔류응력 해소에 필요한 에너지를 객관적으로 예측가능하여 최적의 열처리 영역을 확보하여 효율적인 열처리를 할 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 실시예를 기재한다. 다만, 하기 실시예들에 의해서 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
SLM방식의 3D 프린팅 장치(모델명 FS271M)의 플랫폼상에 평균 입경 40μm의 순수 타이타늄 분말(ASTM Grade 2 규격)을 도포하여 0.1mm 두께의 분말층을 형성하였다. 상기 순수 타이타늄분말층에 레이저 빔의 직경이 0.1mm인 레이저를 출력 225W, 스캔속도 1,000mm/s의 조건에서 3차원 CAD데이터에 기초하여 조사하여 용융 후 냉각 및 고화시켜 크기의 하나의 순수 타이타늄 레이어를 형성하였다.
그 후, 레이저를 출력 110W, 스캔속도 6000mm/s의 조건에서 상기 레이어의 조사부위에 재조사하여 잔류응력 해소를 위한 열처리를 하였다.
그 후, 레이어 두께만큼 플랫폼을 하강한 다음 순수 타이타늄 분말을 다시 공급하여 새롭게 분말층을 형성한 다음, 상기와 동일한 조건으로 레이저를 조사하여 용융 후 냉각 및 고화시켜 새로 순수 타이타늄 레이어를 형성하고 상기와 동일한 조건으로 레이저를 재조사하여 열처리를 하였다.
상기 분말층을 형성하는 공정, 레이저를 조사하여 분말층을 용융, 냉각시켜 레이어를 형성하는 공정 및 레이저를 재조사하여 열처리하는 공정을 반복 수행하여 20x20x25cm3의 순수 타이타늄의 입체 조형물을 제조하였다.
[실시예 2]
레이저를 출력 140W, 스캔속도 6000mm/s의 조건에서 상기 레이어의 조사부위에 재조사하여 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 3]
레이저를 출력 180W, 스캔속도 6000mm/s의 조건에서 상기 레이어의 조사부위에 재조사하여 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실시예 4]
레이저를 출력 210W, 스캔속도 6000mm/s의 조건에서 상기 레이어의 조사부위에 재조사하여 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[비교예 1]
레이저를 출력 100W, 스캔속도 7000mm/s의 조건에서 상기 레이어의 조사부위에 재조사하여 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[비교예 2]
레이저를 출력 200W, 스캔속도 5000mm/s의 조건에서 상기 레이어의 조사부위에 재조사하여 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[실험예]
상기 실시예 및 비교예에 의해 제조된 순수 타이타늄의 입체 조형물들을 3개월간 대기에서 방치하여 균열 또는 변형 발생여부를 측정하였다. 그리고 각 조형물들에 대하여 인장강도를 측정하여 그 결과를 표 1로 나타내었다.
상기 결과를 살펴보면, 상기 실시예 1 내지 4는 3개월이 지난 후에도 조형물에 균열, 변형이 발생하지 않았다. 그러나 비교예 1은 3개월이 지난 후 균열이 발생하였고, 이를 통해 잔류응력 해소에 충분한 열처리가 이루어지지 않았음을 확인할 수 있다.
비교예 2는 3개월 후에도 조형물의 변형이 발생하지는 않았으나, 인장강도가 다른 실시예에 비해 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다.
따라서 잔류응력 해소에 필요한 최적의 열처리 에너지의 범위는 0.3E~0.6E 인 것을 확인할 수 있다.
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.
100 : 열처리 제어 시스템
10 : 입력부
20 : 저장부
30 : 제어부
40 : 레이저 출력부
10 : 입력부
20 : 저장부
30 : 제어부
40 : 레이저 출력부
Claims (12)
- 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 있어서,
(i) 금속소재의 종류에 따라 용융에 필요한 상이한 에너지 밀도(energy density, E)를 계산하고 결정하는 단계;
(ii) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 금속소재를 용융하기 위한 레이저와 관련된 공정변수로써 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께가 설정되는 단계;
(iii) 상기 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께의 값을 고정시킨 상태에서, 상기 (i) 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 도출하는 단계;
(iv) 상기 (iii) 단계에 따라 도출된 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 기준으로 상기 금속소재의 용융 및 비용융 영역을 구분하고, 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가 설정되는 단계;
(v) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 열처리 에너지(Ea)를 계산하고 결정함에 있어, 상기 금속소재의 잔류응력을 제거하고 열처리 시간을 단축시키기 위한 최소 열처리 에너지 값 및 금속소재 결정립의 조대화로 인한 물성 변화를 방지하기 위한 최대 열처리 에너지 값이 설정되는 단계;
(vi) 상기 (iv)단계에서 구분된 용융 및 비용융 영역 중, 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가, 상기 (v)단계에서 설정된 상기 최소 열처리 에너지 값 및 최대 열처리 에너지 값에 따라 설정되는 단계;
(vii) 금속분말을 공급하는 단계;
(viii) 상기 (i)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)와, 상기 (iv)단계에서 설정된 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각하여 하나의 레이어를 형성하는 단계;
(ix) 상기 (viii)단계에서 형성된 하나의 레이어에, 상기 (vi)단계에서 설정된 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 재조사하여 열처리를 수행하고 상기 레이어에 잔존하는 잔류응력을 제거하는 단계;
(x) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (vii)~(ix)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고,
상기 (v)단계에서 결정되는 열처리 에너지는,
0.3E ≤ Ea ≤ 0.6E 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 (i)단계에서의 에너지 밀도는 상기 금속소재의 종류에 따라 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법.
[식 1]
E=Hc+Hf
(E는 에너지 밀도(J/mm3), Hc는 상기 금속소재가 상온에서 용융점까지 도달하기 위해 필요한 열용량, Hf는 상기 금속소재의 융해열이다.)
- 청구항 1에 있어서,
상기 (i)단계에서의 에너지 밀도는 상기 금속소재의 종류에 따라 하기 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법.
[식 2]
E=Hc+Hf+Hp
(E는 에너지 밀도(J/mm3), Hc는 상기 금속소재가 상온에서 용융점까지 도달하기 위해 필요한 열용량, Hf는 상기 금속소재의 융해열, Hp는 상변태열이다.)
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 공정변수는 하기 식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법.
[식 3]
Ea=P/(ν×h×t)
(Ea는 열처리 에너지(J/mm3), P는 레이저의 출력(W=J/s), ν는 스캔속도(mm/s), h는 레이저 빔의 직경(mm), t는 레이어 하나의 두께(mm))
- 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 있어서,
(a) 금속소재의 종류에 따라 용융에 필요한 상이한 에너지 밀도(energy density, E)를 계산하고 결정하는 단계;
(b) 상기 (a)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 금속소재를 용융하기 위한 레이저와 관련된 공정변수로써 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께가 설정되는 단계;
(c) 상기 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께의 값을 고정시킨 상태에서, 상기 (a) 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 도출하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계에 따라 도출된 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 기준으로 상기 금속소재의 용융 및 비용융 영역을 구분하고, 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가 설정되는 단계;
(e) 상기 (a)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 열처리 에너지(Ea)를 계산하고 결정함에 있어, 상기 금속소재의 잔류응력을 제거하고 열처리 시간을 단축시키기 위한 최소 열처리 에너지 값 및 금속소재 결정립의 조대화로 인한 물성 변화를 방지하기 위한 최대 열처리 에너지 값이 설정되는 단계;
(f) 상기 (d)단계에서 구분된 용융 및 비용융 영역 중, 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가, 상기 (e)단계에서 설정된 상기 최소 열처리 에너지 값 및 최대 열처리 에너지 값에 따라 설정되는 단계;
(g) 금속분말을 공급하는 단계;
(h) 상기 금속분말에 상기 (f)단계에서 설정된 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 조사하여 예열을 수행하고 상기 금속분말에 잔존하는 잔류응력을 미리 제거하는 단계;
(i) 상기 (a)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)와, 상기 (d)단계에서 설정된 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각하여 하나의 레이어를 형성하는 단계;
(j) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (g)~(i)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고,
상기 (e)단계에서 결정되는 열처리 에너지는,
0.3E ≤ Ea ≤ 0.6E 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법.
- 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 있어서,
(ㄱ) 금속소재의 종류에 따라 용융에 필요한 상이한 에너지 밀도(energy density, E)를 계산하고 결정하는 단계;
(ㄴ) 상기 (ㄱ)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 금속소재를 용융하기 위한 레이저와 관련된 공정변수로써 레이저의 출력, 스캔속도, 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께가 설정되는 단계;
(ㄷ) 상기 레이저 빔의 직경 및 레이어 하나의 두께의 값을 고정시킨 상태에서, 상기 (ㄱ) 단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 도출하는 단계;
(ㄹ) 상기 (ㄷ) 단계에 따라 도출된 상기 레이저의 출력 및 상기 스캔속도의 상호 연관 관계를 기준으로 상기 금속소재의 용융 및 비용융 영역을 구분하고, 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 제1 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가 설정되는 단계;
(ㅁ) 상기 (ㄱ)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)에 따라 열처리 에너지(Ea)를 계산하고 결정함에 있어, 상기 금속소재의 잔류응력을 제거하고 열처리 시간을 단축시키기 위한 최소 열처리 에너지 값 및 금속소재 결정립의 조대화로 인한 물성 변화를 방지하기 위한 최대 열처리 에너지 값이 설정되는 단계;
(ㅂ) 상기 (ㄹ)단계에서 구분된 용융 및 비용융 영역 중, 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 제2 레이저의 출력 및 상기 스캔속도가, 상기 (ㅁ)단계에서 설정된 상기 최소 열처리 에너지 값 및 최대 열처리 에너지 값에 따라 설정되는 단계;
(ㅅ) 금속분말을 공급하는 단계;
(ㅇ) 상기 (ㄱ)단계에서 결정된 에너지 밀도(E)와, 상기 (ㄹ)단계에서 설정된 상기 금속소재의 용융영역에 포함되는 상기 제1 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 제1 레이저를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융 및 냉각하여 하나의 레이어를 형성하는 단계;
(ㅈ) 상기 (ㅇ)단계에서 형성된 하나의 레이어에, 상기 (ㅂ)단계에서 설정된 상기 금속소재의 비용융 영역에 포함되는 상기 제2 레이저의 출력 및 상기 스캔속도에 따라 상기 제2 레이저를 선택적으로 재조사하여 열처리를 수행하고 상기 레이어에 잔존하는 잔류응력을 제거하는 단계;
(ㅊ) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (ㅅ)~(ㅈ)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고,
상기 (ㅁ)단계에서 결정되는 열처리 에너지는,
0.3E ≤ Ea ≤ 0.6E 인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법.
- 청구항 1, 청구항 6 또는 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속소재는 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 납(Pb), 주석(Sn), 베릴륨(Be) 또는 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상으로 되는 합금인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 금속소재는 순수 타이타늄 또는 타이타늄 합금인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법.
- 청구항 1, 청구항 6 또는 청구항 7 중 어느 한 항의 레이저를 이용한 금속소재의 적층성형 가공방법에 포함되는 열처리 제어 시스템에 있어서,
공급되는 금속소재의 종류가 입력되는 입력부;
금속소재 별 비열, 용융점, 융해열, 상변태열 값이 저장되어 있는 저장부;
상기 저장부에서 상기 입력된 금속소재의 종류에 맞는 값을 추출하여 용융에 필요한 에너지 밀도 및 열처리 에너지를 계산, 결정하고, 상기 열처리 에너지 값에 따라 레이저와 관련된 공정변수를 설정하는 제어부;
상기 제어부에서 구한 열처리 에너지에 따라 상기 금속소재에 레이저를 조사하여 열처리를 수행하는 레이저 출력부;
를 포함하는 열처리 제어 시스템.
- 청구항 1, 청구항 6 또는 청구항 7중 어느 한 항의 방법으로 제조된 금속소재 적층성형 가공제품.
- 청구항 1, 청구항 6 또는 청구항 7중 어느 한 항의 방법을 이용하는 적층성형 가공장치.
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