KR101913979B1 - 삼차원 형상 조형물의 제조 방법 - Google Patents

삼차원 형상 조형물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

광 비임을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에서 융기부의 발생을 억제할 수 있는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법을 제공하기 위해, 본 발명에서는 (i) 분말층을 형성하는 공정, 및 (ⅱ) 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 분말층으로부터 고화층을 형성하는 공정을 갖고, (i) 및 (ⅱ)의 공정을 반복하여 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법으로서, (ⅱ)의 공정에서, 광 비임을 조사하는 부분에 대해 진동을 가하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법이 제공된다.

Description

삼차원 형상 조형물의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING THREE-DIMENSIONALLY SHAPED MOLDING}
본 개시는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 개시는 분말층으로의 광 비임 조사에 의해 고화층을 형성하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다.
광 비임을 분말 재료에 조사하는 것을 통하여 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법(일반적으로는 「분말 소결 적층법」이라 칭함)은 종래부터 알려져 있다. 이러한 방법은, 이하의 공정 (i) 및 (ⅱ)에 근거하여 분말층 형성과 고화층 형성을 교호로 반복 실시하여 삼차원 형상 조형물을 제조한다.
(i) 분말층을 형성하는 공정.
(ⅱ) 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 분말층으로부터 고화층을 형성하는 공정.
이러한 제조 기술에 따르면, 복잡한 삼차원 형상 조형물을 단시간에 제조하는 것이 가능해진다. 분말 재료로서 무기질의 금속 분말을 이용하는 경우, 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 금형으로서 사용할 수 있다. 한편, 분말 재료로서 유기질의 수지 분말을 이용하는 경우, 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 각종 모델로서 사용할 수 있다.
분말 재료로서 금속 분말을 이용하고, 그에 의해 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 금형으로서 사용하는 경우를 예로 든다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 우선, 스퀴징·블레이드(23)를 수평 방향으로 움직여 조형 플레이트(21) 상에 소정 두께의 분말층(22)을 형성한다(도 9의 (a) 참조). 그 다음에, 분말층의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하여 분말층으로부터 고화층(24)을 형성한다(도 9의 (b) 참조). 이어서, 스퀴징·블레이드(23)를 수평 방향으로 움직여, 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고 재차 광 비임을 조사하여 새로운 고화층을 형성한다. 이와 같이 하여 분말층 형성과 고화층 형성을 교호로 반복하여 실시하면 고화층(24)이 적층되게 되어(도 9의 (c) 참조), 최종적으로는 적층화된 고화층으로 이루어지는 삼차원 형상 조형물을 얻을 수 있다. 최하층으로서 형성되는 고화층(24)은 조형 플레이트(21)와 결합한 상태가 되므로, 삼차원 형상 조형물과 조형 플레이트와는 일체화물을 이루게 되어, 그 일체화물을 금형으로서 사용할 수 있다.
일본 특허 공개 제 2004-143581 호 공보
여기서, 본 발명자는, 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 분말층으로부터 고화층을 형성할 때에, 광 비임을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에 융기부가 발생하는 것을 발견했다. 구체적으로는, 본 발명자는, 광 비임(L)을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에, 단면이 만곡 형상으로 되어 있는 복수의 융기부(도 1의 위 도면 및 도 11 내의 50에 상당)가, 서로 일부가 겹치도록 광 비임을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에 발생하는 것을 발견했다.
융기부가 발생한 상태에서, 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하면, 다음의 문제가 생긴다. 즉, 융기부의 형상에 기인하여, 인접하는 융기부가 서로 일부 겹쳐 있는 부분에 있어서의 새로운 분말층의 두께(도 11의 h1에 상당)와, 융기부의 정상부에 있어서의 분말층의 두께(도 11의 h2에 상당)가 상이해져 버린다. 그 때문에, 전체적으로 소정의 균일한 두께를 가진 새로운 분말층을 형성할 수 없다.
구체적으로는, 융기부의 형상에 기인하여, 인접하는 융기부가 서로 일부 겹쳐 있는 부분에 있어서의 새로운 분말층의 두께(도 11의 h1에 상당)는, 융기부의 정상부에 있어서의 새로운 분말층의 두께(도 11의 h2에 상당)보다 커진다. 이 두께의 차이에 기인하여, 새로운 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 새로운 고화층을 형성하면, 다음의 문제가 생긴다. 즉, 새로운 고화층 중 인접하는 융기부가 서로 일부 겹쳐 있는 부분 부근(도 11의 "M 영역"에 상당)에 있어서의 고화 밀도와, 새로운 고화층 중 융기부의 정상부의 상방 영역(도 11의 "N 영역"에 상당)에 있어서의 고화 밀도가 상이해져 버릴 우려가 있다. 보다 구체적으로는, 인접하는 융기부가 서로 일부 겹쳐 있는 부분에 있어서의 새로운 분말층의 두께가 융기부의 정상부에 있어서의 새로운 분말층의 두께보다 크기 때문에, 광 비임의 조사 에너지가 새로운 고화층의 "M 영역"까지 충분히 제공되지 않을 우려가 있다. 그 때문에, 새로운 고화층의 "M 영역"에 있어서의 고화 밀도가 새로운 고화층의 "N 영역"에 있어서의 고화 밀도보다 작아질 우려가 있다. 따라서, 고화 밀도가 균일한 새로운 고화층을 형성하지 못할 우려가 있다. 그러므로, 최종적으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 소망의 형상, 품질 등을 확보하지 못할 우려가 있다.
그래서, 본 발명은 광 비임을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에서 융기부의 발생을 억제할 수 있는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시형태에서는,
(i) 분말층을 형성하는 공정, 및
(ⅱ) 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 분말층으로부터 고화층을 형성하는 공정을 갖고,
(i) 및 (ⅱ)의 공정을 반복하여 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법으로서,
(ⅱ)의 공정에서, 광 비임을 조사하는 부분에 대해 진동을 가하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 태양에 따른 삼차원 형상 조형물의 제조 방법에서는, 광 비임이 조사되는 분말층의 소정 개소에 진동을 가하기 때문에, 광 비임을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에서 융기부의 발생을 억제할 수 있다. 이에 의해, 표면이 매끄러운 고화층을 얻을 수 있다. 그 때문에, 얻어진 고화층 상에 전체적으로 소망의 균일한 두께의 새로운 분말층을 형성할 수 있다. 따라서, 해당 새로운 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 분말층으로부터 고화층을 형성할 때에, 고화 밀도가 균일한 새로운 고화층을 형성할 수 있다. 그러므로, 최종적으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 소망의 형상, 품질 등을 확보할 수 있다.
도 1은 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사했을 때의 상태를 모식적으로 도시한 사시도,
도 2는 본 발명의 개념도,
도 3은 조형 테이블 및 조형 테이블 상에 마련한 조형 플레이트를 진동시키고 있는 상태를 모식적으로 도시한 단면도,
도 4는 조형 테이블 및 조형 플레이트를, 진동자를 이용하여 진동시키고 있는 상태를 모식적으로 도시한 단면도,
도 5는 조형 테이블의 하면에 대해 상방향을 향해 해머 부재를 이용하여 직접 충격을 가해 진동시키고 있는 상태를 모식적으로 도시한 단면도,
도 6은 조형 테이블의 측면에 대해 해머 부재를 이용하여 직접 충격을 가해 진동시키고 있는 상태를 모식적으로 도시한 단면도,
도 7은 조형 테이블의 측면에 대해 해머 부재를 이용하여 직접 충격을 가해 진동시키고 있는 상태를 모식적으로 도시한 평면도,
도 8은 광조형 복합 가공기의 구성을 모식적으로 도시한 사시도,
도 9는 분말 소결 적층법이 실시되는 광조형 복합 가공의 프로세스 태양을 모식적으로 도시한 단면도,
도 10은 광조형 복합 가공기의 일반적인 동작을 나타내는 흐름도,
도 11은 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사했을 때의 상태를 모식적으로 도시한 단면도.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일 태양에 따른 삼차원 형상 조형물의 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다. 도면에서의 각종 요소의 형태 및 치수는 어디까지나 예시에 지나지 않으며, 실제의 형태 및 치수를 반영하는 것은 아니다.
본 명세서에서 「분말층」이란, 예컨대 「금속 분말로 이루어지는 금속 분말층」 또는 「수지 분말로 이루어지는 수지 분말층」을 의미하고 있다. 또한, 「분말층의 소정 개소」란, 제조되는 삼차원 형상 조형물의 영역을 실질적으로 가리키고 있다. 따라서, 이러한 소정 개소에 존재하는 분말에 대해 광 비임을 조사하는 것에 의해, 그 분말이 소결 또는 용융 고화하여 삼차원 형상 조형물을 구성하게 된다. 또한, 「고화층」이란, 분말층이 금속 분말층인 경우에는 「소결층」을 의미하며, 분말층이 수지 분말층인 경우에는 「경화층」을 의미하고 있다.
또한, 본 명세서에서 직접적 또는 간접적으로 설명하는 "상하"의 방향은, 예컨대 조형 플레이트와 삼차원 형상 조형물의 위치 관계에 근거하는 방향으로서, 조형 플레이트를 기준으로 하여 삼차원 형상 조형물이 제조되는 측을 「상방향」으로 하고, 그 반대측을 「하방향」으로 한다.
[분말 소결 적층법]
우선, 본 발명의 일 태양에 따른 제조 방법의 전제가 되는 분말 소결 적층법에 대해 설명한다. 특히 분말 소결 적층법에 있어서 삼차원 형상 조형물의 절삭 처리를 부가적으로 실행하는 광조형 복합 가공을 예로 든다. 도 9는 광조형 복합 가공의 프로세스 태양을 모식적으로 도시하고 있으며, 도 8 및 도 10은 분말 소결 적층법과 절삭 처리를 실시할 수 있는 광조형 복합 가공기의 주요 구성 및 동작의 흐름도를 각각 나타내고 있다.
광조형 복합 가공기(1)는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 분말층 형성 수단(2), 광 비임 조사 수단(3) 및 절삭 수단(4)을 구비하고 있다.
분말층 형성 수단(2)은 금속 분말 또는 수지 분말 등의 분말을 소정 두께로 까는 것에 의해 분말층을 형성하기 위한 수단이다. 광 비임 조사 수단(3)은 분말층의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하기 위한 수단이다. 절삭 수단(4)은 적층화된 고화층의 측면, 즉, 삼차원 형상 조형물의 표면을 절삭하기 위한 수단이다.
분말층 형성 수단(2)은, 도 8 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 분말 테이블(25), 스퀴징·블레이드(23), 조형 테이블(20) 및 조형 플레이트(21)를 주로 구비하여 이루어진다. 분말 테이블(25)은, 외주가 벽(26)으로 둘러싸인 분말 재료 탱크(28) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 스퀴징·블레이드(23)는 분말 테이블(25) 상의 분말(19)을 조형 테이블(20) 상으로 제공하여 분말층(22)을 얻기 위해 수평 방향으로 이동할 수 있는 블레이드이다. 조형 테이블(20)은, 외주가 벽(27)으로 둘러싸인 조형 탱크(29) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 그리고, 조형 플레이트(21)는 조형 테이블(20) 상에 배치되며, 삼차원 형상 조형물의 토대가 되는 플레이트이다.
광 비임 조사 수단(3)은, 도 8에 도시하는 바와 같이, 광 비임 발진기(30) 및 갈바노 미러(galvano mirror)(31)를 주로 구비하여 이루어진다. 광 비임 발진기(30)는 광 비임(L)을 발하는 기기이다. 갈바노 미러(31)는 발사된 광 비임(L)을 분말층에 스캐닝하는 수단, 즉, 광 비임(L)의 주사 수단이다.
절삭 수단(4)은, 도 8에 도시하는 바와 같이, 밀링 헤드(40) 및 구동 기구(41)를 주로 구비하여 이루어진다. 밀링 헤드(40)는 적층화된 고화층의 측면, 즉, 삼차원 형상 조형물의 표면을 절삭하기 위한 절삭 공구이다. 구동 기구(41)는 밀링 헤드(40)를 소망의 절삭해야 할 개소로 이동시키는 수단이다.
광조형 복합 가공기(1)의 동작에 대해 상술한다. 광조형 복합 가공기의 동작은, 도 10의 흐름도에 나타내는 바와 같이, 분말층 형성 단계(S1), 고화층 형성 단계(S2) 및 절삭 단계(S3)로 구성되어 있다. 분말층 형성 단계(S1)는 분말층(22)을 형성하기 위한 단계이다. 이러한 분말층 형성 단계(S1)에서는, 우선 조형 테이블(20)을 Δt 낮추어(S11), 조형 플레이트(21)의 상면과 조형 탱크(29)의 상단면과의 레벨 차이가 Δt가 되도록 한다. 이어서, 분말 테이블(25)을 Δt 올린 후, 도 9의 (a)에 도시하는 바와 같이 스퀴징·블레이드(23)를 분말 재료 탱크(28)로부터 조형 탱크(29)를 향해 수평 방향으로 이동시킨다. 이에 의해, 분말 테이블(25)에 배치되어 있던 분말(19)을 조형 플레이트(21) 상으로 이송시킬 수 있으며(S12), 분말층(22)의 형성이 실행된다(S13). 분말층을 형성하기 위한 분말 재료로서는, 예컨대 「평균 입경 5㎛~100㎛ 정도의 금속 분말」 및 「평균 입경 30㎛~100㎛ 정도의 나일론, 폴리프로필렌 또는 ABS 등의 수지 분말」을 예로 들 수 있다. 분말층이 형성되면, 고화층 형성 단계(S2)로 이행한다. 고화층 형성 단계(S2)는 광 비임 조사에 의해 고화층(24)을 형성하는 단계이다. 이러한 고화층 형성 단계(S2)에서는, 광 비임 발진기(30)로부터 광 비임(L)을 발하고(S21), 갈바노 미러(31)에 의해 분말층(22) 상의 소정 개소로 광 비임(L)을 스캐닝한다(S22). 이에 의해, 분말층(22)의 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜, 도 9의 (b)에 도시하는 바와 같이 고화층(24)을 형성한다(S23). 광 비임(L)으로서는, 탄산가스 레이저, Nd:YAG 레이저, 파이버 레이저 또는 자외선 등을 이용해도 좋다.
분말층 형성 단계(S1) 및 고화층 형성 단계(S2)는 교호로 반복하여 실시한다. 이에 의해, 도 9의 (c)에 도시하는 바와 같이 복수의 고화층(24)이 적층화된다.
적층화된 고화층(24)이 소정 두께에 도달하면(S24), 절삭 단계(S3)로 이행한다. 절삭 단계(S3)는 적층화된 고화층(24)의 측면, 즉, 삼차원 형상 조형물의 표면을 절삭하기 위한 단계이다. 밀링 헤드(40)(도 9의 (c) 및 도 10 참조)를 구동시키는 것에 의해 절삭 단계가 개시된다(S31). 예컨대, 밀링 헤드(40)가 3㎜의 유효 칼날 길이를 갖는 경우, 삼차원 형상 조형물의 높이 방향을 따라서 3㎜의 절삭 처리를 실행할 수 있으므로, Δt가 0.05㎜이면 60층분의 고화층이 적층된 시점에서 밀링 헤드(40)를 구동시킨다. 구체적으로는 구동 기구(41)에 의해 밀링 헤드(40)를 이동시키면서, 적층화된 고화층의 측면에 대해 절삭 처리를 실시하게 된다(S32). 이러한 절삭 단계(S3)가 종료되면, 소망의 삼차원 형상 조형물이 얻어지는지의 여부를 판단한다(S33). 소망의 삼차원 형상 조형물이 여전히 얻어지지 않은 경우에는, 분말층 형성 단계(S1)로 되돌아온다. 이후, 분말층 형성 단계(S1) 내지 절삭 단계(S3)를 반복 실시하여 추가로 고화층의 적층화 및 절삭 처리를 실시하는 것에 의해, 최종적으로 소망의 삼차원 형상 조형물이 얻어진다.
[본 발명의 제조 방법]
본 발명의 일 태양에 따른 제조 방법은 상술한 분말 소결 적층법이므로, 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하여 고화층(24)을 형성할 때의 태양에 특징을 갖고 있다.
도 1은 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사했을 때의 상태를 모식적으로 도시한 사시도이다. 도 2는 광 비임(L)을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에 융기부가 발생하는 것을 모식적으로 도시한 개념도이다. 도 11은 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사했을 때의 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다.
우선, 본 발명의 이해를 돕기 위해, 도 2를 이용하여 본 발명의 개념에 대해 언급해둔다. 상세한 사항에 대해서는 후술하지만, 본 발명은 광 비임(L)을 조사시키는 부분에 대해 진동을 가하는 것을 최대의 특징으로 하고 있다. 이에 의해, 진동을 가하지 않은 경우(도 2의 위 도면에 상당)와 비교하여, 진동을 가한 경우(도 2의 아래 도면에 상당)가 융기부의 높이를 줄일 수 있는 것을 최대의 특징으로 하고 있다. 또한, 본 명세서에서 말하는 「융기부」란, 분말층(22)의 소정 개소에 대해 광 비임(L)을 조사한 부분이 만곡 단면을 형성하도록 상방향으로 볼록한 것을 가리킨다.
이하, 본 발명의 일 태양에 따른 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 1의 위 도면 및 도 11에 도시하는 바와 같이, 본 발명자는, 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하여 분말층(22)으로부터 고화층(24)을 형성했을 때에, 광 비임(L)을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에 융기부(50)가 발생하는 것을 발견했다. 구체적으로는, 도 1의 위 도면 및 도 11에 도시하는 바와 같이, 본 발명자는, 광 비임(L)을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에, 단면이 만곡 형상으로 되어 있는 복수의 융기부(50)가 서로 일부가 겹치도록 발생하는 것을 발견했다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 융기부(50)가 발생한 상태에서, 얻어진 고화층(24) 상에 새로운 분말층(22)을 형성하면, 이하의 문제가 생긴다. 구체적으로는, 융기부(50)의 형상에 기인하여, 인접하는 융기부(50)가 서로 일부 겹쳐 있는 부분(51)에 있어서의 새로운 분말층(22)의 두께(h1)와, 융기부(50)의 정상부(52)에 있어서의 새로운 분말층(22)의 두께(h2)가 상이해져 버린다. 그 때문에, 전체적으로 소정의 균일한 두께를 가진 새로운 분말층(22)를 형성할 수 없다. 상세하게는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 융기부(50)의 형상에 기인하여, 인접하는 융기부(50)가 서로 일부 겹쳐 있는 부분(51)에 있어서의 새로운 분말층(22)의 두께는, 융기부(50)의 정상부(52)에 있어서의 새로운 분말층(22)의 두께보다 커진다. 이 두께의 차이에 기인하여, 새로운 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하여 새로운 고화층(24)을 형성하면, 다음의 문제가 생긴다. 즉, 새로운 고화층(24) 중 인접하는 융기부(50)가 서로 일부 겹쳐 있는 부분(51)에 있어서의 고화 밀도와, 새로운 고화층(24) 중 융기부(50)의 정상부(52)에 있어서의 고화 밀도가 상이해져 버릴 우려가 있다. 보다 구체적으로는, 인접하는 융기부(50)이 서로 일부 겹쳐 있는 부분(51)에 있어서의 새로운 분말층(22)의 두께가, 융기부(50)의 정상부(52)에 있어서의 새로운 분말층(22)의 두께보다 크기 때문에, 다음의 문제가 생긴다. 즉, 광 비임(L)의 조사 에너지가 새로운 고화층(24) 중 인접하는 융기부(50)가 서로 일부 겹쳐 있는 부분(51)의 부근(도 11의 M 영역에 상당)에까지 충분히 제공되지 않을 우려가 있다. 그 때문에, 새로운 고화층(24) 중 인접하는 융기부(50)가 서로 일부 겹쳐 있는 부분(51)의 부근(도 11의 M 영역에 상당)에 있어서의 고화 밀도가, 새로운 고화층(24) 중 융기부(50)의 정상부(52)의 상방 영역(도 11의 N 영역에 상당)에 있어서의 고화 밀도보다 작아질 우려가 있다. 따라서, 고화 밀도가 균일한 새로운 고화층(24)을 형성할 수 없을 우려가 있다. 그러므로, 최종적으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 소망의 형상, 품질 등을 확보할 수 없을 우려가 있다.
그래서, 본 발명자는 해당 융기부(50)의 발생을 억제하기 위한 방법을 예의 검토했다. 그 결과, 도 1의 아래 도면에 도시하는 바와 같이, 광 비임(L)이 조사되는 분말층(22)의 소정 개소에 진동을 가하는 방법을 발견했다. 구체적으로는, 본 발명자는, 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사할 때에, 광 비임(L)을 조사시키는 부분에 대해 진동을 가하는 방법을 발견했다. 또한, 여기서 말하는 「분말층(22)을 조사시키는 부분에 대해 진동을 가한다」란, 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하면서 진동을 가하는 것을 말한다.
본 발명에서는, 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사할 때에, 「광 비임(L)을 조사시키는 부분에 대해 진동을 가하기」 때문에 이하의 효과를 발휘할 수 있다.
구체적으로는, 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하면, 광 비임(L)을 조사시킨 부분에는 유동성을 가진 부분(이른바 "멜트 풀(melt pool)")이 형성된다. 이 유동성을 가진 부분에 대해 계속하여 진동을 제공하면, 유동성을 가진 부분이 그 성질에 기인하여, 진동을 제공하기 전과 비교하여, 유동성을 가진 부분의 높이를 줄일 수 있는 동시에, 유동성을 가진 부분의 폭을 넓힐 수 있다. 즉, 광 비임(L)을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에 생기는 융기부(50)의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 융기부(50)의 발생 억제에 의해, 표면이 매끄러운 고화층(24)을 얻을 수 있다. 여기에서 말하는 「표면이 매끄러운 고화층」이란, 고화층(24) 상에 형성되는 인접하는 융기부(50)가 서로 일부가 겹쳐 있는 부분(51)(도 1의 아래 도면 참조)에 있어서의 융기부(50)의 높이(H1)와, 융기부(50)의 정상부(52)(도 1의 아래 도면 참조)에 있어서의 융기부(50)의 높이(H2)의 차이(즉, H2-H1의 값)이 20% 미만, 바람직하게는 10% 미만, 보다 바람직하게는 5% 미만인 것을 말한다. 또한, 표면이 매끄러운 고화층(24)을 얻기 위해서, 광 비임(L)을 조사시키는 부분에 대하여, 0.1㎑~1000㎑의 진동을 가해도 좋고, 바람직하게는, 1㎑~100㎑의 진동을 가한다. 또한, 해당 진동수에 근거하는 진동은, 하기에 나타내는 바와 같이, 예컨대 진동자 및/또는 해머 부재를 이용하여 제공할 수 있다.
여기서, 상술한 바와 같이, 최종적으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물은, 복수의 고화층(24)이 적층되어 형성되어 있다. 분말 소결 적층법을 이용하는 경우, 분말층(22)을 마련하는 고화층(24) 전체의 형상 및/또는 질량은 일정하지 않으며 순차 변화해간다. 이에 수반하여, 분말층(22)을 마련하는 고화층(24) 전체가 갖는 고유 진동수도 순차 변화해가는 것으로 생각할 수 있다. 여기서 말하는 「고유 진동수」란, 진동이 증폭되어 강한 흔들림이 생기는 "공진"의 현상이 일어나는 진동수를 말한다. 그래서, 보다 바람직하게는, 광 비임(L)을 조사시키는 부분에 대하여, 분말층(22)을 마련하는 고화층(24) 전체의 질량 및/또는 형상에 따른 고유 진동수에 근거하는 진동을 제공하는 것이 좋다. 해당 고유 진동수는 임의의 방법에 의해 얻을 수 있다. 그 일 예로서, 해당 고유 진동수는, 각 분말층을 마련하기 직전의 고화층 전체(즉, 삼차원 형상 조형물 전구체)의 질량 및/또는 형상에 관한 정보를 기초로 구조 해석 소프트웨어로 시뮬레이션 해석함으로써 얻을 수 있다.
상기와 같이, 분말층(22)을 마련하는 고화층(24) 전체의 질량 및/또는 형상에 따른 고유 진동수와 실질적으로 동일한 진동수를 제공함으로써, 진동이 증폭되어 강한 흔들림이 생기는 "공진"의 현상을 일으킬 수 있다. 즉, 광 비임(L)을 조사시킨 부분에 형성되는 유동성을 가진 부분에 대해 효과적으로 진동을 제공할 수 있다. 그러므로, 유동성을 가진 부분이 그 성질에 기인하여, 진동을 제공하기 전과 비교하여, 유동성을 가진 부분의 높이를 "보다 줄일" 수 있는 동시에, 유동성을 가진 부분의 폭을 "보다 넓힐" 수 있다.
이상에 의해, 표면이 매끄러운 고화층(24)을 형성할 수 있기 때문에, 얻어진 고화층(24) 상에 전체적으로 소망의 균일한 두께의 새로운 분말층(22)을 형성할 수 있다. 따라서, 해당 새로운 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하여 분말층(22)으로부터 고화층(24)을 형성할 때에, 고화 밀도가 균일한 고화층(24)을 형성할 수 있다. 그러므로, 최종적으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 소망의 형상, 품질 등을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 이하의 효과도 발휘할 수 있다.
분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에서는, 분말층(22) 내에 존재하는 공극이 줄어들어 수축 현상이 생긴다. 융기부(50)는 광 비임(L)을 조사하여 소결 또는 용융 고화시킨 부분에 생기는 것이기 때문에, 해당 수축 현상은 융기부(50)에도 발생하는 것으로 생각할 수 있다. 따라서, 융기부(50)에서도, 융기부(50)의 내측 방향을 향해 응력이 집중될 우려가 있다. 그러므로, 고화층(24), 즉, 최종적으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물에 휨 및/또는 변형이 생길 우려가 있다. 그래서, 광 비임(L)을 조사시키는 부분에 대해 진동을 가하는 것에 의해, 융기부(50)의 내측 방향을 향해 집중되는 응력을 완화시킬 수 있다. 따라서, 최종적으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물에서의 휨 및/또는 변형의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 융기부(50)의 발생을 억제할 수 있는 것에 의해, 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하는 영역을 크게 할 수 있다. 즉, 광 비임(L)의 주사 피치를 넓혀, 분말층(22)의 소정 개소에 광 비임을 조사할 수 있다. 따라서, 고화층(24)의 형성 시간, 즉 삼차원 형상 조형물의 제조 시간을 단축할 수 있어서, 제조 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 하기와 같은 고화층(24)을 형성하는 경우, 본 발명의 일 태양에 따른 제조 방법에서는, 이하의 형태를 채택하는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 고밀도 영역(고화 밀도 95%~100%)과 저밀도 영역(고화 밀도 0%~95%(95%를 포함하지 않음))으로 이루어지는 고화층(24)을 형성하는 경우에는, 광 비임(L)을 조사하여 고밀도 영역을 형성하는 부분에 대해 진동을 더욱 가하는 것이 바람직하다.
고밀도 영역을 형성하는 경우, 저밀도 영역을 형성하는 경우와 비교하여 광 비임(L)의 조사 조건이 상이하다. 구체적으로는, 고밀도 영역을 형성하는 경우, 저밀도 영역을 형성하는 경우에 비해 광 비임(L)의 조사 에너지를 크게 한다. 그 때문에, 고밀도 영역을 형성하는 부분에서, 융기부(50)의 높이가 저밀도 영역을 형성하는 부분보다 높아질 우려가 있다. 따라서, 광 비임(L)을 조사하여 고밀도 영역을 형성하는 부분에 대해 진동을 가하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 고밀도 영역을 형성하는 부분에서도, 융기부(50)의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 여기서 말하는 「고화 밀도(%)」란, 삼차원 형상 조형물의 단면 사진을 화상 처리함으로써 구한 고화 단면 밀도(고화 재료의 점유율)를 실질적으로 의미하고 있다. 사용하는 화상 처리 소프트웨어는 Scion Image ver. 4.0.2(Scion사제의 프리웨어)이며, 단면 화상을 고화부(흰색)와 공공(空孔)부(흑색)로 2치화한 후, 화상의 전체 화소수 PxaLL 및 고화부(흰색)의 화소수 Pxwhite를 카운트함으로써, 이하의 식 1에 의해 고화 단면 밀도 ρS를 구할 수 있다.
[식 1]
Figure 112017028314842-pct00001
다음에, 광 비임(L)이 조사되는 분말층(22)의 소정 개소에 대해 진동을 가하기 위한 방법에 대해 설명한다.
도 3은 조형 테이블(20) 및 조형 테이블(20) 상에 마련한 조형 플레이트(21)를 진동시키고 있는 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 조형 플레이트(21)가 조형 테이블(20) 상에 마련되어 있다. 또한, 분말층의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하여 분말층으로부터 형성된 고화층(24)이 조형 플레이트(21) 상에 마련되어 있다. 본 실시형태에서는, 조형 테이블(20) 및 조형 테이블(20) 상에 마련한 조형 플레이트(21)를 진동시키고 있다. 그리고, 본 실시형태에서는, 이 진동을, 광 비임(L)을 조사하는 부분에 대해 가하고 있는 것이다. 따라서, 독립된 진동 기구를 이용하는 일 없이, 삼차원 형상 조형물을 제조함에 있어서 이용되는 기존의 조형 테이블(20) 및 조형 플레이트(21)를 유효 활용하여 진동시키고 있는 점에서 유리하다. 또한, 조형 테이블 및 조형 플레이트(21)의 전체를 진동시켜도 좋다.
다음에, 상술한 조형 테이블(20) 및 조형 테이블(20) 상에 마련한 조형 플레이트(21)를 진동시키기 위한 방법에 대해 설명한다.
도 4는 조형 테이블(20) 및 조형 테이블(20) 상에 마련한 조형 플레이트(21)를, 진동자(60)를 이용하여 진동시키고 있는 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 조형 테이블(20) 및 조형 테이블(20) 상에 마련한 조형 플레이트(21)를 진동시키기 위한 하나의 방법으로서, 조형 테이블(20)에 진동자(60)를 이용한다.
해당 진동자(60)를 구동시킴으로써 조형 테이블(20)을 진동시키고, 그에 의해, 해당 진동을 조형 테이블(20)에 직접 마련한 조형 플레이트(21)에 전파시켜 진동시키고 있다. 이에 의해, 광 비임을 조사하는 부분에 대해 진동을 가하고 있다. 이에 한정되지 않으며, 예컨대, 조형 플레이트(21)에 진동자(60)를 직접 마련해도 좋다. 또한, 진동자(60)에 의해, 바람직하게는 0.1㎑~1000㎑의 진동이 주어지는 것이 좋으며, 보다 바람직하게는, 1㎑~100㎑의 진동이 주어지는 것이 좋다.
진동자(60)로서는, 예컨대, 초음파 진동자(61)를 이용할 수 있다. 여기에서 말하는 「초음파 진동자(61)」란, 전극 간에 압전 세라믹스를 삽입하고, 전압을 걸어 해당 압전 세라믹스를 반복하여 신축시킴으로써 진동을 제공하는 것을 가리킨다. 또한, 압전 세라믹스란, 산화티탄·산화바륨 등을 고온으로 구워 굳힌 다결정체 세라믹스로서, 해당 다결정체 세라믹스에 분극 처리를 실시한 것이다. 또한, 초음파란, 진동수가 1만 6천 Hz 이상인 탄성파를 가리킨다.
본 실시형태에서는, 진동자(60)는, 도 4에 도시하는 바와 같이 조형 테이블(20)의 하면에 대해 마련하고 있다. 그렇지만, 이에 한정되지 않으며, 바람직하게는, 조형 테이블(20)의 측면에 진동자(60)를 마련해도 좋다. 조형 테이블(20)의 측면에 진동자(60)를 마련하는 경우, 조형 테이블(20)을 상하 방향으로 진동시키는 것이 아니라, 조형 테이블(20)을 횡방향(좌우 방향)으로 진동시킬 수 있다. 따라서, 분말층(22)을 구성하는 분말 재료가 대기 중에 확산되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 도 4에 도시하는 바와 같이, 조형 테이블(20)에 대해 진동자(60)를 마련하는 경우, 주변 장치, 예컨대 분말 테이블(25) 등에 진동을 가하지 않도록 하기 위해, 조형 테이블(20)과 벽(27) 사이에 진동 흡수 부재(70)를 마련하는 것이 바람직하다. 진동 흡수 부재(70)로서는, 예컨대 스프링이나 고무 부재 등을 예로 들 수 있다.
조형 테이블(20) 및 조형 테이블(20) 상에 마련한 조형 플레이트(21)에 진동을 제공하는 방법은, 상기의 진동자(60)를 이용하는 방법에 한정되지 않으며, 이하의 방법도 채택할 수도 있다.
도 5는 조형 테이블(20)의 하면(200)에 대해 상방향을 향해 해머 부재(80)를 이용하여 직접 충격을 가해 진동시키고 있는 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다. 또한, 여기서 말하는 「상방향」이란, 상술하고 있지만 조형 플레이트(21)를 기준으로 하여 삼차원 형상 조형물이 제조되는 측을 말한다. 또한, 여기서 말하는 「해머 부재」란, 대상물에 타격을 가해, 물건을 박아 넣거나 변형시키는 공구를 가리킨다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 조형 테이블(20) 및 조형 테이블(20) 상에 마련한 조형 플레이트(21)에 진동을 제공하기 위해서, 조형 테이블(20)의 하면(200)에 대해 상방향을 향해 해머 부재(80)를 이용하여 직접 진동을 가하는 방법이 채택되어도 좋다. 해당 해머 부재(80)에 의해, 바람직하게는 0.1㎑~1000㎑의 진동이 제공되어도 좋고, 보다 바람직하게는, 1㎑~100㎑의 진동이 제공되어도 좋다. 또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 조형 테이블(20)에 대해 해머 부재(80)로 직접 쳐서 진동을 가하는 경우, 주변 장치에 진동을 가하지 않도록 하기 위해, 조형 테이블과 벽(27) 사이에 진동 흡수 부재(70)를 마련하는 것이 바람직하다. 진동 흡수 부재(70)로서는, 예컨대 스프링이나 고무 부재 등을 예로 들 수 있다.
조형 테이블(20) 및 조형 테이블(20) 상에 마련한 조형 플레이트(21)에 진동을 제공하기 위해서 해머 부재(80)를 이용하는 경우, 이하의 형태를 채택하는 것이 보다 바람직하다.
도 6은 조형 테이블(20)의 측면(201)에 대해 해머 부재(80)를 이용하여 직접 충격을 가해 진동시키고 있는 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다. 도 7은, 조형 테이블(20)의 측면(201)에 대해 해머 부재(80)를 이용하여 직접 충격을 가해 진동시키고 있는 상태를 모식적으로 도시한 평면도이다. 도 7은 도 6 내의 선분 A-A' 사이에 상당한다.
조형 테이블(20)의 하면(200)에 대해 상방향을 향해 해머 부재(80)를 이용하여 직접 충격을 가해 진동시키고 있는 경우, 분말층(22)을 구성하는 분말 재료가 대기 중으로 확산될 우려가 있다. 따라서, 바람직하게는, 도 6 및 도 7에 도시하는 바와 같이, 분말 재료가 대기 중으로 확산되는 것을 억제하기 위해, 조형 테이블(20)의 측면(201)에 대해 해머 부재(80)를 이용하여 직접 진동을 가하는 것이 좋다. 즉, 바람직하게는, 조형 테이블(20)을 상하 방향으로 진동시키는 것이 아니라, 조형 테이블(20)을 횡방향(좌우 방향)으로 진동시키는 것이 좋다. 또한, 도 6 및 도 7에 도시하는 바와 같이 조형 테이블(20)에 대해 해머 부재(80)를 이용하여 직접 충격을 가해서 진동을 가하는 경우, 주변 장치를 진동시키지 않도록 하기 위해, 조형 테이블(20)과 벽(27) 사이에 진동 흡수 부재(70)를 마련하는 것이 바람직하다. 진동 흡수 부재(70)로서는, 예컨대 스프링이나 고무 부재 등을 예로 들 수 있다.
이상, 본 발명의 일 태양에 따른 삼차원 형상 조형물의 제조 방법에 대해 설명해 왔지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 하기의 특허 청구의 범위에 규정되는 발명의 범위로부터 일탈하는 일 없이 여러 가지의 변경이 당업자에 의해 이루어진다고 이해된다.
또한, 상술한 바와 같은 본 발명은 다음의 바람직한 태양을 포함하고 있다.
제 1 태양:
(i) 분말층을 형성하는 공정, 및
(ⅱ) 상기 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 상기 분말층으로부터 고화층을 형성하는 공정을 갖고,
상기 (i) 및 상기 (ⅱ)의 공정을 반복하여 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법으로서,
상기 (ⅱ)의 공정에서, 상기 광 비임을 조사하는 부분에 대해 진동을 가하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
제 2 태양: 상기 제 1 태양에 있어서, 조형 테이블에 마련한 조형 플레이트 상에서, 상기 분말층 및 상기 고화층을 형성하고 있으며,
상기 조형 테이블을 진동시키는 것에 의해, 상기 광 비임을 조사하는 부분에 대해 진동을 가하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
제 3 태양: 상기 제 2 태양에 있어서, 상기 조형 테이블에 마련한 진동자에 의해 상기 조형 테이블을 진동시키는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
제 4 태양: 상기 제 3 태양에 있어서, 상기 진동자로서, 초음파 진동자를 이용하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
제 5 태양: 상기 제 2 태양 또는 제 3 태양에 있어서, 상기 조형 테이블을 횡방향으로 진동시키는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
제 6 태양: 상기 제 1 태양 내지 제 5 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 광 비임을 조사시키는 부분에 대하여, 상기 고화층의 형상에 따른 고유 진동수에 근거하는 진동을 가하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 일 태양에 따른 삼차원 형상 조형물의 제조 방법을 실시하는 것에 의해, 여러 가지의 물품을 제조할 수 있다. 예컨대, 「분말층이 무기질의 금속 분말층이며, 고화층이 소결층인 경우」에는, 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 플라스틱 사출 성형용 금형, 프레스 금형, 다이캐스트 금형, 주조 금형, 단조 금형 등의 금형으로서 이용할 수 있다. 또한, 「분말층이 유기질의 수지 분말층이며, 고화층이 경화층인 경우」에는, 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 수지 성형품으로서 이용할 수 있다.
[관련 출원의 상호 참조]
본 출원은, 일본 특허 출원 제 2014-203435 호(출원일: 2014년 10월 1일, 발명의 명칭: 「삼차원 형상 조형물의 제조 방법」)에 근거하는 파리 조약상의 우선권을 주장한다. 해당 출원에 개시된 내용은 모두 이 인용에 의해 본 명세서에 포함되는 것으로 한다.
20: 조형 테이블 21: 조형 플레이트
22: 분말층 24: 고화층
60: 진동자 61: 초음파 진동자
L: 광 비임

Claims (6)

  1. (i) 분말층을 형성하는 공정, 및
    (ⅱ) 상기 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 상기 분말층으로부터 고화층을 형성하는 공정을 갖고,
    상기 (i) 및 상기 (ⅱ)의 공정을 반복하여 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 (ⅱ)의 공정에서, 상기 분말층의 상기 소정 개소에 상기 광 비임을 조사하면서 진동을 가하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    조형 테이블에 마련한 조형 플레이트 상에서, 상기 분말층 및 상기 고화층을 형성하고 있으며,
    상기 조형 테이블을 진동시키는 것에 의해, 상기 분말층의 상기 소정 개소에 진동을 가하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조형 테이블에 마련한 진동자에 의해, 상기 조형 테이블을 진동시키는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 진동자로서, 초음파 진동자를 이용하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 조형 테이블을 횡방향으로 진동시키는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분말층의 상기 소정 개소에, 상기 고화층의 형상에 따른 고유 진동수에 근거하는 진동을 가하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법.
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