KR101893172B1 - 3차원 메탈프린터용 금속분말 및 이를 이용하여 제조되는 전단금형 - Google Patents

3차원 메탈프린터용 금속분말 및 이를 이용하여 제조되는 전단금형 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중량%로 C 0.33~0.43%, Si 0.18~0.28%, Mn 0.33~0.43%, Cr 7~9%, Mo 0.001~1.5%, W 10~13% 및 잔부가 Fe로 구성되어 종래의 금속분말에 비하여 내마모성, 내식성, 내열성 및 경도가 우수한 3차원 메탈프린터용 금속분말을 제공한다.
또한 상기 금속분말을 이용하여 전단금형을 제작하는 경우, 내마모성, 내식성, 내열성 및 경도가 우수함에 따라 열처리 공정을 생략가능하며, 지속적인 전단 작업이 가능한 전단금형을 제공한다.
또한 상기 금속분말을 이용하여 전단금형 제작시, 전담금형을 기능부와 비기능부로 나누어 기능부인 날부에 상기 3차원 메탈프린터용 기능성 금속분말을 적용하며 비기능부에는 저가의 금속을 적용하여 가격 및 제작기간을 크게 낮출 수 있는 전단금형을 제공한다.

Description

3차원 메탈프린터용 금속분말 및 이를 이용하여 제조되는 전단금형{Metal Powder for 3D Metal Printer and Shear Mold Using the same}
본 발명은 3차원 메탈프린터용 금속분말 및 이를 이용하여 제조되는 전단금형에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중량%로 C 0.33~0.43%, Si 0.18~0.28%, Mn 0.33~0.43%, Cr 7~9%, Mo 0~1.5%, W 10~13% 및 잔부가 Fe로 구성되는 것이 특징인 3차원 메탈프린터용 금속분말 및 이를 이용하여 제조되는 전단금형에 관한 것이다.
일반적으로 프레스 금형의 가공방법은 크게 성형 및 굽힘 가공과 전단가공으로 나눌 수 있으며, 전단금형이란 펀치(Punch)와 다이(die) 사이에 소재를 넣고 펀치에 힘을 가하면 펀치가 소재를 눌러 소재를 특정형상으로 절단하게 되는 것이다.즉, 펀치의 날 끝부분에 집중적으로 응력이 발생하게 되고 재료의 표면은 압축력을 받게 되며, 소재의 표면에 발생하는 압축응력은 가공이 진행됨에 따라서 재료의 탄성한도를 넘어서게 되고 소성변형을 일으키게 되는 것이다.
그리고 내마모성, 인성 등을 갖추기 위해 고가의 소재, 일반적으로 SKD11, 23F85 등의 소재를 사용하고, 제작과정에서 내마모성과 인성을 향상시키기 위해서 열처리 및 코팅과정을 거친다.
종래기술로서, 대한민국 등록특허 제10-1626542호에서는 3차원 메탈프린터용 금속분말을 개시하고 있다. 이 발명에서는 중량%로 Cr 8∼10%, Si 1.8∼2.5%, C 0.25∼0.35%, Mn 2∼3%와 잔부가 Fe로 구성되며, P 0.01~0.05%, Ni 0.05~1.0%, Mo 0.01~0.05%, Ti 0.001~0.005%, V 0.01~0.05%, Nb 0.004~0.01%, W 0.02~0.05%, Co 0.01~0.05%, Zr 0.004~0.01%, B 0.002~0.005%가 하나 또는 둘 이상이 추가 혼합된 것이 특징인 3차원 메탈프린터용 금속분말을 제공하고 있다.
대한민국 공개특허 제10-1991-0001491호에서는 분말야금용 합금분말에 관하여 개시하고 있다. 이 발명에서는 W 0.2~2중량%, Ni 0.8~3.0중량%, Mo 0.1~1.0중량% 및 Cu 0.2~5중량%를 포함하는 합금강 분말에 관하여 개시하고 있다.
일본 공개특허 제2012-011393호에서는 전단용 금형 및 그 제조방법에 관하여 개시하고 있다. 이 발명은 한 쌍의 기재 사이에 배치되는 판재 2를 당해 기재에 의해 전단하는 전단용 금형 1으로서, 상기 기재의 표면 중 적어도 곡면의 영역과 상기 판재 2의 표면에 대향함과 동시에 상기 곡면에서 상기 기재의 면을 따라 300μm까지의 영역에 아크 이온 플레이팅법에 의해 형성된 경질 피막을 구비하고, 상기 경질 피막은 Al와 Ti 및 Cr 중의 1종 이상를 함유함과 동시에, 막 두께가 1μm 이상, 5μm이하이며 또한 상기 곡면의 영역과 상기 곡면에서 상기 기재의 면을 따라 300μm까지의 영역에 형성된 상기 경질 피막의 표면에서 길이 10 mm의 선분상에 존재하는 직경 20μm 이상의 금속 입자의 개수가 2개 이하인 전담용 금형을 제시하고 있다.
일본 공개특허 제 2008-246546호에서는 펀칭금형에 관하여 개시하고 있다. 이 발명은 금형 고정부에 설치되는 펀치와 다이 중 어느 한쪽을 초경합금, 다른 한쪽을 ZrO2계 세라믹스로 형성함으로써, 금형 치핑이 없고 선단릉면을 샤프 에지로서 장시간 유지할 수 있으며, 2,000 rpm 이상의 고속으로 가동도 가능한 전단 금형을 제공한다.
그러나, 상기와 같은 종래의 전단금형은 이러한 작업을 10만 회 이상 반복적으로 수행해야 하므로, 내마모성, 인성 등을 갖추기 위해 고가의 소재, 일반적으로 SKD11, 23F85 등을 스틸 전체에 사용하고, 제작과정에서 내마모성과 인성을 향상시키기 위해서 열처리 및 코팅과정을 거쳐야하므로 경제적인 효율성이 낮다는 단점이 있다.
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 중량%로 C 0.33~0.43%, Si 0.18~0.28%, Mn 0.33~0.43%, Cr 7~9%, Mo 0.001~1.5%, W 10~13% 및 잔부가 Fe로 구성되어 종래의 금속분말에 비하여 내마모성, 내식성, 내열성 및 경도가 우수한 3차원 메탈프린터용 금속분말을 제공하고자 한다.
또한 상기 금속분말을 이용하여 전단금형을 제작하는 경우, 내마모성, 내식성, 내열성 및 경도가 우수함에 따라 열처리 공정을 생략가능하며, 지속적인 전단 작업이 가능한 전단금형을 제공하고자 한다.
또한 상기 금속분말을 이용하여 전단금형 제작시, 전담금형을 기능부와 비기능부로 나누어 기능부인 날부에 상기 3차원 메탈프린터용 기능성 금속분말을 적용하며 비기능부에는 저가의 금속을 적용하여 가격 및 제작기간을 크게 낮출 수 있는 전단금형을 제공하고자 한다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 제1양태에 의한 본 발명은 금속분말을 토너로 사용하는 3차원 메탈프린터용 금속분말에 있어서, 3차원 메탈프린터용 금속분말은 중량%로 C 0.33~0.43%, Si 0.18~0.28%, Mn 0.33~0.43%, Cr 7~9%, Mo 0~1.5%, W 10~13% 및 잔부가 Fe로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메탈프린터용 금속분말을 제공한다.
상기 3차원 메탈프린터용 금속분말은, (a) 금속분말을 이루는 조성성분인 금속소재들을 지정된 중량비 대로 혼합하여 주조에 의해 잉곳을 제작하는 단계; (b) 상기 잉곳을 가스아토마징의 방법으로 30~150㎛ 크기의 금속분말로 제조하는 단계; 및 (c) 상기 2단계에서 생성된 금속분말을 체질하여 지정된 굵기의 금속분말을 분류하는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조될 수 있다.
또한 제2양태에 의한 본 발명은 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말을 이용하여 제조되는 전단금형을 제공한다.
상기 전담금형은 기능부가 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말로 제조되며, 비기능부가 철, 알루미늄, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 구리, 또는 이들의 합금으로 제조될 수 있다.
또한 제3양태에 의한 본 발명은 (i) 전단금형의 본체부(비기능부)를 제조하는 단계; (ii) 상기 전단금형의 본체부에 3차원 메탈프린터를 이용하여 전단날부(기능부)를 적층하는 단계; (iii) 상기 (ii)단계에서 제작된 전단금형을 금형본체에 조립한 다음, 형상 및 윤곽 가공을 수행하는 단계; 및 (iv) 상기 금형본체의 상형 및 하형의 위치를 조절하여 날 맞춤하는 단계를 포함하는 상기 전단금형의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 3차원 메탈프린터용 금속분말은 종래의 금속분말에 비하여 내마모성, 내식성, 내열성 및 경도가 우수함에 따라, 전단금형의 제조에 사용될 수 있으며, 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말을 이용한 전단금형은 기존의 3차원 프린터를 이용하여 제작된 전단금형에 비하여 경도 및 내열성이 매우 우수하므로 가격 및 제작기간을 크게 낮추면서도 높은 강도를 가지는 금형의 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말의 제조공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전단금형을 나타낸 사진이다.
도 3은 전단해석을 이용한 전단 작업시 집중응력이 발생하는 부분(기능부)을 나타낸 결과 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 메탈 프린터를 이용한 전단금형 제작 설계도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 DED 공정의 주요원리 및 전단금형의 제조예를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 메탈 프린터를 이용하여 제작된 실험용 전단금형(b)과 기존 방식으로 제작된 전단스틸(a, c)을 3만회 전단 작업을 수행한 다음, 전단 스틸 표면의 마모 상태를 상호 비교하여 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 양산용 전단금형의 제조공정 및 전단작업 결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 메탈프린터용 금속분말의 적층가공후 경도 비교표이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 전단작업 후의 버(Burr)발생량을 비교한 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명에서 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 발명에서, 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.
본 발명은 금속분말을 토너로 사용하는 3차원 메탈프린터용 금속분말에 있어서, 3차원 메탈프린터용 금속분말은 중량%로 C 0.33~0.43%, Si 0.18~0.28%, Mn 0.33~0.43%, Cr 7~9%, Mo 0~1.5%, W 10~13% 및 잔부가 Fe로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메탈프린터용 금속분말에 관한 것이다.
상기 3차원 메탈프린터용 금속분말은, (a) 금속분말을 이루는 조성성분인 금속소재들을 지정된 중량비 대로 혼합하여 주조에 의해 잉곳을 제작하는 단계; (b) 상기 잉곳을 가스아토마징의 방법으로 30~150㎛ 크기의 금속분말로 제조하는 단계; 및 (c) 상기 2단계에서 생성된 금속분말을 체질하여 지정된 굵기의 금속분말을 분류하는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조되는 것이다.
이하, 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 설명에 앞서 참고로 금속분말을 토너로 사용하여 3차원 물체를 프린팅하는 기기를 3차원 메탈프린터라고 칭하고, DED(Direct energy deposition)기술은 금속 3차원 프린팅(적층가공) 기술 중 하나이다.
SKD11, 23F85 소재는 금형제작에 많이 사용되는 합금강으로서, 가공과 열처리 후 변형이 적기 때문에 주로 정밀한 가공 후 변형이 없어야 하는 제품에 많이 사용되고 있다.
그러나 SKD11, 23F85소재를 이루는 금속은 모두 고가이기에 본 발명에서는 선별적으로 조성을 변화시켜 전단금형의 주종을 이루는 SKD11, 23F85 소재에 비해 특히, 탄소(C)의 양을 줄여 탄화물을 줄이는 동시에 크롬(Cr)의 양을 조절하고 텅스텐(W)을 추가하는 것으로, 고온에서 내마멸성을 증대시켜 전단금형 제작시 전단스틸의 기능부(날부)에 사용시 제품의 조도가 우수하며, 금형날의 마모를 최소화하여 전단작업시 내구성을 향상하였다.
이에 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말은 중량비를 기준으로 C 0.33~0.43%, Si 0.18~0.28%, Mn 0.33~0.43%, Cr 7~9%, Mo 0~1.5%, W 10~13% 및 잔부가 Fe로 구성되어 있다.
탄소(C)는 함유량에 따라 강의 강도와 경도와 같은 강의 성질이 변하는 원소로 대부분 열처리가 가능한 공구강에서는 0.1~1.5중량% 함유되어 있으며, 본 발명의 금속분말에서는 탄화물을 줄이기 위해 0.33~0.43중량%가 포함될 수 있다. 이때 0.33중량% 미만으로 탄소가 함유되는 경우 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말로 제조된 물체의 경도가 낮아져 내구성이 떨어지며, 0.43중량%를 초과하여 함유되는 경우에는 금속분말에서 탄화물이 석출될 수 있다.
규소(Si)는 화학반응이 거의 없기 때문에 다른 금속의 표면에 이를 성장시키는 원소로서 0.18~0.28중량%가 포함되는 것이 바람직하다. 상기 규소의 함량이 0.18중량% 미만이면 금속 성장 효과가 미비하며, 0.25중량%를 초과하여 투입되는 경우에는 함유량에 비해 얻어지는 효과가 작다. 본 합금에서는 Mn과 Si는 탈산제로도 사용될 수 있다.
망간(Mn)은 경도가 높고, 금속 합금 시 내식성과 기계적 성질을 높이기 위해 필요한 원소로서, 0.33~0.43중량%가 포함되는 것이 바람직하다. 상기 망간의 함량이 0.33% 미만이면 내식성 및 기계적 성질의 향상 효과가 미비하며, 0.43%를 초과하는 경우에는 망간이 석출되어 기계적 성질이 떨어질 수 있다.
크롬(Cr)은 내식성 및 기계적 성질이 우수한 금속으로 7~9중량%가 포함되는 것이 바람직하다. Cr의 함유량이 7%미만이면 합금의 부식이 발생할 수 있으며, 9%를 초과하면 크롬이 석출되어 인체에 유해할 수 있다. 참고로 Cr이 12% 이상이면 스테인레스 강이라 부른다.
몰리브덴(Mo)은 넓은 온도 범위에서 기계적으로 매우 강하며, 보통의 산에는 녹지 않으며, 진한 질산에도 침식되지 않는다. 철과 합금된 몰리브덴강은 절삭용 공구로 쓰인다. 따라서 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말은 몰리브덴을 0~1.5중량%를 포함하는 것이 바람직하다. Mo의 함유량이 1.5%를 초과하는 경우, 함유량에 대비 얻어지는 효과가 떨어진다.
텅스텐(W)은 고속도강, 영구자석강, 내열 및 내식합금에 사용되며, 탄화텅스텐은 공구에 사용된다. 고가로서 텅스텐이 0.02%미만이 함유되면 텅스텐 함유에 따른 효과가 미비하며, 따라서 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말은 텅스텐을 10~13중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 텅스텐이 함유되는 양이 증가하면 비용에 비해 얻어지는 효과가 미비하나, 본 개발 금속분말 소재는 전단 스틸 전체에 적용되는 것이 아니라 전단스틸의 기능부(전체 전단 스틸의 1~3%)에만 적용하므로 고가의 텅스텐 함유량을 증가시켜, 적층 가공 후 전단 작업 시 내마멸성을 향상시키는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말의 제조공정도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말은 (a) 금속분말을 이루는 조성성분인 금속소재들을 지정된 중량비 대로 혼합하여 주조에 의해 잉곳을 제작하는 단계; (b) 상기 잉곳을 가스아토마징의 방법으로 30~150㎛ 크기의 금속분말로 제조하는 단계; 및 (c) 상기 2단계에서 생성된 금속분말을 체질하여 지정된 굵기의 금속분말을 분류하는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조되는 것이다.
본 발명에서 용어 “잉곳”은 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥, 오각기둥 또는 육각기둥의 형상을 가지는 주괴를 의미하는 것으로 제련된 금속을 거푸집에 부어 가공에 적합한 형상으로 굳힌 덩어리를 의미한다.
상기 (a)단계는 상기 금속소재를 중량비 대로 혼합한 다음, 주조에 의하여 잉곳을 제조하는 단계로, 상기 잉곳을 취급의 용이성을 위하여 1~100kg의 중량을 가지도록 제조할 수 있다. 또한 상기 주조에 의하여 생성된 액상의 금속을 잉곳을 제조하지 않고 바로 분말화하는 것도 가능하지만, 취급의 편의 및 원료보관의 용이성 때문에 잉곳을 제조한 다음 분말화하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 (b)단계를 상기 잉곳을 이용하여 금속분말을 제조하는 단계로, 상기 잉곳을 용융한 다음, 용탕노즐로 공급하고, 상기 용탕노즐로부터 흘러내리는 용탕의 흐름에 압축가스를 분사하는 것으로 용탕의 흐름을 비산시켜 금속분말을 제조할 수 있다. 이때 사용되는 가스는 공기, 질소, 헬륨 또는 아르곤이 사용될 수 있으며, 제조된 금속분말은 30~150㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 (c)단계는 적절한 크기를 가지는 금속분말을 분류하는 단계로 상기 (b)단계에서 제조한 분말은 넓은 크기 분포를 가지고 있으므로, 3차원 메탈프린터에 사용이 적합한 크기를 가지는 금속분말을 선별하여 사용할 수 있다. 이때 선별방법은 무게, 자성 등을 이용하여 선별할 수 있으며, 단순히 적절한 사이즈를 가지는 메쉬(mesh)망을 이용하여 분류하거나, 체질기를 이용하여 선별하는 것도 가능하다.
또한 제2양태에 의한 본 발명은 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말을 이용하여 제조되는 전단금형에 관한 것이다.
전단금형은 프레스를 이용하여 박판 금속을 성형하는 금형으로 일반적으로 가공하려는 재료(박판금속)을 다이상에 올려놓은 다음, 펀치로 전단하여 금속을 가공하는 방법을 말한다. 이때 사용되는 다이 및 펀치를 전단금형이라 하며, 상기 다이와 펀치의 정밀도에 따라 가공되는 금속의 정밀도가 좌우되므로, 전단금형의 정밀도 및 내구성이 매우 중요하다. 기존의 전단금형의 경우 3차원 프린터를 이용하여 출력시 경도 및 내열성이 떨어지며, 3차원프린터의 특성상 외형의 재가공이 필요함에 따라, 대부분의 전단금형은 주물, 단조 및 절삭공정을 이용하여 제작되었다. 또한 3차원 프린터를 적용한 전담금형의 경우 강도 및 내구성을 높이기 위하여 열처리 공정을 수반하고 있으며, 출력물 외형의 정밀도를 높이기 위하여 외형의 재가공이 필수적으로 사용되었다. 이와 같은 전담금형의 제조방법은 후처리(열처리 및 표면 재가공)에 많은 비용과 시간이 소요되어 전단금형의 단가 상승의 주요원인이 되고 있다.
하지만 본 발명에 의한 3차원 메탈프린터용 금속분말을 이용하여 상기 전단금형을 제조하는 경우에는 내마모성, 내식성, 경도 및 내열성이 우수한 금형의 제작이 가능하다. 또한 본 발명에 의한 상기 전단금형은 직접적으로 전단을 수행하는 기능부와 상기 기능부를 지지하면서 금형의 본체를 구성하는 비 기능부로 분리될 수 있으며, 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말은 고가의 텅스텐을 다량으로 함유하는 합금이므로, 상기 기능부에 사용하여 상기 전단금형의 단가 상승을 최소화 할 수 있다. 아울러 상기 비 기능부는 철, 알루미늄, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 구리 또는 이들의 합금으로 제조하여 금형의 단가를 낮추는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 주물소재인 회주철(FC25, FC30), 구상흑연주철(FCD55), 기계구조용탄소강(S45C) 소재를 사용할 수 있다.
또한 제3양태에 의한 본 발명은 (i) 전단금형의 본체부(비기능부)를 제조하는 단계; (ii) 상기 전단금형의 본체부에 3차원 메탈프린터를 이용하여 전단날부(기능부)를 적층하는 단계; (iii) 상기 (ii)단계에서 제작된 전단금형을 금형본체에 조립한 다음, 형상 및 윤곽 가공을 수행하는 단계; 및 (iv) 상기 금형본체의 상형 및 하형의 위치를 조절하여 날 맞춤하는 단계를 포함하는 상기 전단금형의 제조방법에 관한 것이다.
상기(i)단계는 전단금형의 본체부를 구성하는 비기능부를 제조하는 단계로 상기 비기능부는 철, 알루미늄, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 구리 또는 이들의 합금을 이용하여 주물, 단조 또는 절삭 공정을 이용하여 제조되거나 기능부와 동일하게 3차원 메탈프린터를 이용하여 제작될 수 있다.
상기 (ii) 단계는 상기 비기능부에 전단날부(기능부)를 적층하는 단계로, 상기 기능부에 3차원 메탈프린터를 이용하여 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적층하는 것으로 상기 기능부를 제작할 수 있다. 이때 상기 3차원 메탈프린터는 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말을 노즐을 이용하여 분사하며, 이와 동시에 적층될 부분에 레이저를 조사하여 상기 금속분말을 용융하는 것으로 적층을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 (iii)단계는 상기 비기능부에 기능부가 적층된 전담금형의 본체를 후가공하는 단계로, 상기 (ii)단계에서 제작된 전단금형을 금형본체에 조립한 다음, 형상 및 윤곽 가공을 수행한다. 상기 (ii) 단계에서 제작된 전단금형은 높은 정밀도를 가지게 되지만, 본체에 조립한 다음 형상 및 윤곽을 재차 가공하여, 각 기능부 및 비기능부의 위치를 정확히 하며, 제조과정에서 발생한 이물질을 제거하는 것이 바람직하다. 아울러 상기 전단금형은 펀치가 위치하는 상형과 다이가 위치하는 하형으로 구별되므로 각각의 형상에 맞도록 조립하여 가공하는 것이 바람직하다.
상기(iv)단계는 상기 (iii)단계에서 제작된 금형본체의 상형 및 하형을 조립하는 단계로, 상형 및 하형의 상대위치가 정확히 맞지 않을 경우, 제품의 오차가 발생하는 것과 더불어 금형 사이의 간격이 일정하지 않아 금형의 마모가 비정상적으로 빨라질 수 있다. 따라서 상기 금형본체의 상형 및 하형의 위치를 조절하여 날 맞춤하는 단계를 수행하여 상형과 하형의 상대위치를 정확하게 조절하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
실시예
도 2는 본 발명이 적용되는 일반적인 전단금형을 도시 하였다.
상술한 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 물성 실험은 다음과 같다.
도 3은 CAE를 이용한 전단해석을 통해 전단작업시 전단스틸에서 집중응력이 나타나는 부위를 도시하였고, 도 4에서 도시하는 바와 같이 전단금형의 제조공정을 고려한 3차원 메탈프린터를 이용한 전단스틸 제작 설계도를 예시한 것이다. 도 5는 DED공정의 주요원리와 본 발명을 이용한 전단스틸의 제조예시를 나타내었고, 도 5의 기술을 적용하여 제작된 전단스틸과 기존 방식으로 제조한 전단스틸을 제작한 다음, 3만회 전단 실험 후 전단스틸의 표면 마모상태를 도 6에 상호 비교하여 나타내었다. 도 6에서 기존 방식의 전단스틸의 제조방법은 전단날부를 용접에 의해 제조하는 방식(용접오버레이방식)과 전단 스틸 전체를 열처리 하여 제작 방식을 적용하였다. 이렇게 각각의 방식으로 제작된 전단스틸을 조립하여 실험용 전단금형을 제작하였다. 도 6에서 3만회 전단 작업 후 전단 스틸의 표면을 분석한 결과 본 발명 금속분말로 기능부를 적층하여 제조한 전단스틸의 표면이 상대적으로 기존 방식으로 제작된 전단스틸보다 표면 마모량이 작고 표면이 매끄럽다는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 양산용 전단금형의 제조예시와 전단작업을 나타내었고, 전단스틸 전체를 본 발명 금속분말을 이용하여 전단날부만 적층가공의 방식으로 제조하여 양산조건에서 전단 작업 후에도 전단날부에 파손이 발생하지 않았다.
도 8은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 DED방식으로 적층 가공 후 경도를 나타내었으며, 기존 벌크소재와 비교하여 적층 가공 후 열처리 공정 없이도 우수한 표면경도를 나타내었다.
도 9는 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단스틸과 기존 전단스틸 제조방식을 적용한 전단금형을 제작한 다음, 30,000회 전단작업 후의 버(Burr)발생량 비교표이다. 도 9에 나타난 바와 같이, 전단금형 제작시 전단스틸의 비기능부를 모재인 S45C 벌크소재에 이종소재인 본 발명 금속분말을 적층한 결과 적층 안정성을 나타낸 것으로, 30,000타 전단작업 후 제품의 버(Burr) 발생량이 용접오버레이 및 원소재 열처리 조건보다 작게 발생함을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말에 의해 제조된 전단금형은 종래의 전단금형에 비해 내마모성과 내식성 및 내열성이 우수하며, 또한 작업 후 제품표면이 매끄럽고 경도가 우수하여 지속적인 작업이 가능하며, 생산량의 증대에도 현저한 효과가 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 금속분말을 토너로 사용하는 3차원 메탈프린터용 금속분말에 있어서,
    3차원 메탈프린터용 금속분말은 중량%로 C 0.33~0.43%, Si 0.18~0.28%, Mn 0.33~0.43%, Cr 7~9%, Mo 0~1.5%, W 10~13% 및 잔부가 Fe로 구성되며,
    상기 3차원 메탈프린터용 금속분말은;
    (a) 금속분말을 이루는 조성성분인 금속소재들을 지정된 중량비 대로 혼합하여 주조에 의해 잉곳을 제작하는 단계;
    (b) 상기 잉곳을 가스아토마징의 방법으로 30~150㎛ 크기의 금속분말로 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 (b)단계에서 생성된 금속분말을 체질하여 지정된 굵기의 금속분말을 분류하는 단계;
    를 포함하는 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 3차원 메탈프린터용 금속분말.
  2. 삭제
  3. 제1항의 3차원 메탈프린터용 금속분말을 이용하여 제조되는 전단금형.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전단금형은 전단날부(기능부)가 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말로 제조되며, 본체부(비기능부)가 철, 알루미늄, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 구리 또는 이들의 합금으로 제조된 것을 특징으로 하는 전단금형.
  5. (i) 전단금형의 본체부(비기능부)를 제조하는 단계;
    (ii) 상기 전단금형의 본체부에 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말을 3차원 메탈프린터를 이용하여 전단날부(기능부)를 적층하는 단계;
    (iii) 상기 (ii)단계에서 제작된 전단금형을 금형본체에 조립한 다음, 형상
    및 윤곽 가공을 수행하는 단계; 및
    (iv) 상기 금형본체의 상형 및 하형의 위치를 조절하여 날 맞춤하는 단계;
    를 포함하는 제1항의 3차원 메탈프린터용 금속분말을 이용한 전단금형 제조방법.
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