KR101936916B1 - 3d 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하는 3d 프린팅 장치 및 3d 프린팅 방법 - Google Patents

3d 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하는 3d 프린팅 장치 및 3d 프린팅 방법 Download PDF

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Abstract

3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하는 3D 프린팅 장치 및 3D 프린팅 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 3D 프린팅 장치는 세라믹 매트릭스 소재에 섬유 강화재가 혼합된 세라믹 매트릭스 복합재(CMC, ceramic matrix composite)를 제조하는 3D 프린팅 장치에 있어서, 전원 장치에 입력된 정보에 따라 3차원으로 거동하는 프린팅 건; 및 상기 프린팅 건의 하부 영역에 위치하여 상기 프린팅 건에서 분사되는 용융물이 3차원으로 코팅되는 기판;을 포함하고, 상기 프린팅 건은 레이저빔 또는 전자빔에 의해, 세라믹 분말을 용융 분사하는 제1노즐; 및 레이저빔 또는 전자빔에 의해, 섬유 강화재를 용융 방사하는 제2노즐;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하는 3D 프린팅 장치 및 3D 프린팅 방법{3D PRINTING DEVICE TO PRODUCE A 3D SHAPED CERAMIC MATRIX COMPOSITE AND 3D PRINTING METHOD}
본 발명은 3D 프린팅 장치 및 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유 강화재가 혼합된 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하는 3D 프린팅 장치 및 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
세라믹 매트릭스 복합재(CMC, ceramic matrix composite)는 세라믹 매트릭스에 의해 치밀해진 세라믹 매트릭스-섬유상 형태의 섬유상 강화재로 이루어진다. 이와 같은 재료는 경량을 나타내면서 강도나 강성 등이 우수하기 때문에, 항공기 부재, 우주선 부재, 자동차 부재 등으로 널리 사용되고 있다.
3D의 복잡한 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하기 위해서는 예를 들어, 섬유 강화재로 예비 성형품을 제조한 후, 액체 처리 또는 가스 처리를 이용하여 치밀화한다. 상기 액체 처리는 세라믹 매트릭스용 전구체를 포함하는 조성물에 예비 성형품을 침지하는 것이고, 상기 가스 처리는 적절한 온도와 압력 하에서 가스 상에 포함되는 세라믹 전구체의 분해/결합 반응을 통하여 섬유상 예비 성형품 표면 및 내부에 세라믹 전구체 조성이 안착하는 것이다.
이처럼, 복잡한 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하기 위해서는 공정이 복잡하고 시간이 많이 소요되며, 복잡한 형상의 제품이나 치수정밀도가 요구되는 고정밀 제품, 고강도 제품을 제조하는데 한계가 있다. 또한, 치수가 맞지 않게 제조되는 경우에는 처음부터 다시 가공하여 제작해야 하므로 작업성 및 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 3D 형상의 고강도 제품의 제조 기술이 필요한 실정이다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1701545호(2017.01.24. 등록)가 있으며, 상기 문헌에는 세라믹 매트릭스를 갖는 복합재 부재 및 그것의 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하기 위한 3D 프린팅 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하기 위한 3D 프린팅 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치는 세라믹 매트릭스 소재에 섬유 강화재가 혼합된 세라믹 매트릭스 복합재(CMC, ceramic matrix composite)를 제조하는 3D 프린팅 장치에 있어서, 전원 장치에 입력된 정보에 따라 3차원으로 거동하는 프린팅 건; 및 상기 프린팅 건의 하부 영역에 위치하여 상기 프린팅 건에서 분사되는 용융물이 3차원으로 코팅되는 기판;을 포함하고, 상기 프린팅 건은 레이저빔 또는 전자빔에 의해, 세라믹 분말을 용융 분사하는 제1노즐; 및 레이저빔 또는 전자빔에 의해, 섬유 강화재를 용융 방사하는 제2노즐;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1노즐 및 상기 제2노즐은 동시에 용융물을 분사하는 것일 수 있다.
상기 세라믹 분말은 탄소계 세라믹 분말 및 산화물계 세라믹 분말 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 섬유 강화재는 탄소 섬유, 세라믹 섬유 및 고분자 섬유 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 프린팅 건은 상기 제1노즐 및 제2노즐 각각의 외곽에 형성되는 보조가스 통로부를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법은 세라믹 매트릭스 소재에 섬유 강화재가 혼합된 세라믹 매트릭스 복합재(CMC, ceramic matrix composite)를 제조하는 3D 프린팅 방법에 있어서, (a) 전원 장치에 입력된 정보에 따라 3차원으로 거동하는 프린팅 건의 제1노즐과 제2노즐로부터 용융물이 분사되어, 상기 프린팅 건의 하부 영역에 위치하는 기판 상에 단일층을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 단일층을 연속적으로 적층하여 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 프린팅 건의 상기 제1노즐로부터 용융 분사되는 세라믹 분말과, 상기 제2노즐로부터 용융 방사되는 섬유 강화재가 레이저빔 또는 전자빔에 의해 분사되어 상기 기판 상에 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재가 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서 상기 제1노즐로부터 용융 분사되는 세라믹 분말과, 상기 제2노즐로부터 용융 방사되는 섬유 강화재가 동시에 분사되는 것일 수 있다.
상기 세라믹 분말은 탄소계 세라믹 분말 및 산화물계 세라믹 분말 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 섬유 강화재는 탄소 섬유, 세라믹 섬유 및 고분자 섬유 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 프린팅 건의 제1노즐과 제2노즐로부터 용융물이 분사되는 동안, 상기 제1노즐 및 제2노즐 각각의 외곽에 형성되는 보조가스 통로부로부터 비활성 가스가 분사될 수 있다.
본 발명은 프린팅 건 내부에 세라믹 분말을 용융 분사하는 제1노즐과 섬유 강화재를 용융 방사하는 제2노즐을 포함하는 3D 프린팅 장치를 이용하여, 상기 제1노즐과 제2노즐이 동시에 용융물을 분사함에 따라, 세라믹 매트릭스에 섬유 강화재가 혼합된 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 한 번의 작업으로 제조할 수 있다.
이에 따라, 공정이 단순하고 작업 시간이 단축되며 3D 프린팅 장치에 의해 치수정밀도가 요구되는 고정밀 제품을 제조할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치의 개념도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치 및 3D 프린팅 방법에 따라 제조된 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재의 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하는 3D 프린팅 장치 및 3D 프린팅 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치의 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치는 세라믹 매트릭스 소재에 섬유 강화재가 혼합된 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하기 위해, 프린팅 건(10) 및 기판(20)을 포함한다.
일반적으로 3D 프린팅은 컴퓨터에 입력된 입체 상품의 설계도를 바탕으로 액상 재료, 종이, 금속 분말 및 폴리머 등의 소재에 따라, 레이저, 열, 빛 등의 소스를 기반으로 응고 및 적층에 의해, 실제 상품과 똑같은 형상의 3차원 제품을 출력해주는 기술이다.
상기 프린팅 건(10)은 전원 장치에 입력된 정보에 따라 3차원으로 거동하는 것으로, 내부에 제1노즐(11)과 제2노즐(12)을 포함한다. 필요에 따라, 상기 프린팅 건(10)은 제3노즐, 제4노즐 등을 더 포함할 수도 있다.
상기 제1노즐(11)은 일정한 직경의 노즐로서, 레이저빔 또는 전자빔에 의해 세라믹 분말을 용융 분사할 수 있다. 분말 형상의 세라믹 분말은 상기 제1노즐(11)을 통해 이동하면서 레이저빔 또는 전자빔에 의해 가속되고 100~1200m/s의 속도로 분사되어 모재와 충돌하게 된다. 제조하고자 하는 3차원 형상의 외형선과 미세한 부분에 레이저빔을 조사함으로써, 세라믹 재질의 매트릭스를 제조할 수 있다.
상기 레이저빔은 기판(20)에 조사 시 조사 영역을 700~1500℃ 정도로 발열시킬 수 있는 에너지를 갖는 것을 적용할 수 있다. 상기 전자빔은 수 keV 이상의 에너지로 전자를 가속시켜 물질을 용융시키는 것이다.
상기 제1노즐(11)의 직경은 예를 들어, 0.1~10mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 제작하고자 하는 3D 형상의 제품에 따라 제1노즐(11)의 직경을 조절할 수 있다.
상기 세라믹 분말은 탄소계 세라믹 분말 및 산화물계 세라믹 분말 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로는, 탄화규소(SiC), 탄화티타늄(TiC), 탄화텅스텐(WC), 탄화크롬(CrC), 탄화탄탈륨(TaC) 및 탄화지르코늄(ZrC) 등의 탄화계 세라믹 분말, 및 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화철(FeO), 산화주석(SnO2), 이산화타이타늄(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 루테늄산화물(RuO2) 및 란탄족계 산화물 등의 산화물계 세라믹 분말이 사용될 수 있다. 이외에도 상기 탄소계 세라믹 분말 및 산화물계 세라믹 분말의 혼합 조성을 포함할 수 있다. 또한, 상기 세라믹 분말은 일산화납(PbO), 산화아연(ZnO), 과산화스트론튬(SrO2), 산화비스무트(Bi2O3) 등과 같은 산화물계 세라믹 분말 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 제2노즐(12)은 일정한 직경의 노즐로서, 레이저빔 또는 전자빔에 의해 섬유 강화재를 용융 방사할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1노즐(11)에서 사용되는 소스와 동일한 소스를 선택하여 상기 제2노즐(12)로부터 상기 섬유 강화재를 용융 방사하여 상기 세라믹 재질의 매트릭스 내부에 분산되도록 할 수 있다. 상기 제2노즐(12)의 직경은 예를 들어, 0.1~10mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 제작하고자 하는 3D 형상의 제품에 따라 제2노즐(12)의 직경을 조절할 수 있다.
상기 제2노즐(12)에서 방사되는 섬유 강화재는 상기 레이저빔 또는 전자빔의 고온에 의해 용융되면서 노즐의 분사구를 통해 기판 상에 적층되는데, 이때, 상기 세라믹 매트릭스를 형성함과 동시에 용융된 섬유 강화재가 방사되어 적층되기 때문에 세라믹 매트릭스 복합재의 치밀화를 높일 수 있다.
상기 섬유 강화재는 탄소 섬유, 세라믹 섬유 및 고분자 섬유 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 매트릭스 복합재는 상기 세라믹 분말 100중량부에 대하여, 상기 섬유 강화재 20~60중량부를 포함할 수 있다. 상기 섬유 강화재의 길이는 섬유를 절단하여 사용하는 경우 대략 10~50mm일 수 있으며, 휘스커(whisker)등의 형태로 사용 시 약 5~500㎛일 수 있고, 직경은 1~100㎛일 수 있다. 만약, 섬유를 절단하지 않고 사용하는 경우에는 길이에 제한이 없을 수 있다. 이 범위를 만족함으로써, 상기 세라믹 매트릭스 복합재의 치밀화를 향상시킬 수 있으며, 고강도 및 경량화를 나타낼 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 세라믹 재질의 매트릭스(30) 내에서 섬유 강화재(40)가 분산되어 있는 구조를 나타내거나, 도 4에 도시한 바와 같이, 세라믹 재질의 매트릭스(30) 내에서 섬유 가닥끼리 수직으로 교차하여 직조되어 있는 구조를 나타낼 수 있다.
이처럼, 섬유 강화재를 이용하여 3차원 형상의 복합재를 제작함으로써, 세라믹 재질의 매트릭스의 빈 공간에 섬유 강화재가 용융되면서 응고 및 적층됨에 따라 제작된 3차원 제품의 고강도 및 경량화를 나타낼 수 있다.
상기 제1노즐(11) 및 상기 제2노즐(12)은 동시에 용융물을 분사하여 한 번의 작업(in-situ)으로 3차원 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조함으로써, 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
상기 프린팅 건(10)은 기판(20) 상에 적층되는 세라믹 매트릭스 복합재의 품질을 향상시키기 위해, 상기 제1노즐(11) 및 제2노즐(12) 각각의 외곽에 배치되는 보조가스 통로부(13)를 더 포함할 수 있다.
상기 보조가스 통로부(13)는 순도 99.99%의 아르곤 가스, 헬륨 가스와 같은 비활성 가스를 이동시키기 위한 공간이며, 용융물이 분사되는 동안에는 보조가스 통로부(13)로부터 비활성 가스가 연속적으로 분사될 수 있다. 보조가스의 이동 방향은 상기 세라믹 분말과 섬유 강화재가 분사되는 방향과 동일하다.
보조가스를 이용하는 경우, 보조가스를 이용하지 않은 경우보다 상대적으로 더 많은 열을 발산하기 때문에 용융 속도를 높일 수 있다. 또한, 높은 용융 속도에 의해 더 많은 용융물이 이동할 수 있으며, 용융물 이동방식이 스프레이 형태이므로 높은 용접률을 얻을 수 있다.
상기 3D 프린팅 장치는 상기 프린팅 건(10)의 하부 영역에 위치하여 상기 프린팅 건(10)에서 분사되는 용융물이 3차원으로 코팅되는 기판(20)을 포함한다.
상기 기판의 재질은 강도와 경도가 높은 텅스텐 합금 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 프린팅 건(10)의 제1노즐(11), 제2노즐(12)과 상기 기판 상의 거리는 일정한 거리로 유지되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 5~30mm의 거리로 유지될 수 있다. 분사 노즐과 기판 상의 거리가 너무 멀면, 분사되는 분말, 섬유 강화재가 퍼져서 분사될 수 있고, 거리가 너무 가까우면, 분사되는 분말, 섬유 강화재의 적층이 가속화되므로 제조하고자 하는 3D 형상의 제품의 정밀도, 강도가 저하될 수 있다.
본 발명에 따른 3D 프린팅 방법은 세라믹 매트릭스 소재에 섬유 강화재가 혼합된 세라믹 매트릭스 복합재(CMC, ceramic matrix composite)를 제조하기 위해, 먼저, 전원 장치에 입력된 정보에 따라 3차원으로 거동하는 프린팅 건(10)의 제1노즐(11)과 제2노즐(12)로부터 용융물을 분사시켜, 상기 프린팅 건(10)의 하부 영역에 위치하는 기판(20) 상에 단일층을 형성한다.
상기 전원 장치에 정보를 입력한 후, 상기 정보에 따라 프린팅 프로그램으로부터 산출된 경로에 따라 프린팅 건이 자유 이동하며, 프린팅 건(10)의 위치와 속도가 자동으로 제어될 수 있다. 상기 정보는 전류크기, 프린팅 건의 이동속도 및 보조가스 이동속도 등을 포함할 수 있다.
구체적으로는, 상기 프린팅 건(10)의 상기 제1노즐(11)로부터 용융 분사되는 세라믹 분말과, 상기 제2노즐(12)로부터 용융 방사되는 섬유 강화재가 레이저빔 또는 전자빔에 의해 동시에 분사될 수 있다.
고에너지빔 소스에 의해 세라믹 분말과 섬유 강화재가 용융 분사되면서 2차원의 초층을 만들고, 연속적으로 방출하는 소스에 의해 초층을 용융시키면서, 동시에 분사되는 세라믹 분말과 섬유 강화재도 함께 용융 분사시켜 초층 위에 단일층들을 연속적으로 적층하는 것이다. 이러한 과정을 거쳐, 상기 단일층을 연속적으로 적층함으로써, 세라믹 매트릭스(30) 내부에 섬유 강화재(40)가 분산되거나 섬유 가닥끼리 수직으로 교차되는 구조를 가짐에 따라 치밀화가 향상되며, 고강도 및 정밀도가 우수한 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조할 수 있다.
상기 세라믹 분말과 상기 섬유 강화재에 대한 사항은 전술한 바와 같다.
상기 프린팅 건(10)의 제1노즐(11)과 제2노즐(12)로부터 용융물이 분사되는 동안, 상기 제1노즐(11) 및 제2노즐(12) 각각의 외곽에 배치되는 보조가스 통로부로부터 비활성 가스가 분사될 수 있다. 상기 비활성 가스에 대한 사항은 전술한 바와 같다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10 : 프린팅 건
11 : 제1노즐
12 : 제2노즐
20 : 기판
30 : 세라믹 매트릭스
40 : 섬유 강화재

Claims (10)

  1. 세라믹 매트릭스 소재에 섬유 강화재가 혼합된 세라믹 매트릭스 복합재(CMC, ceramic matrix composite)를 제조하는 3D 프린팅 장치에 있어서,
    전원 장치에 입력된 정보에 따라 3차원으로 거동하는 프린팅 건; 및
    상기 프린팅 건의 하부 영역에 위치하여 상기 프린팅 건에서 분사되는 용융물이 3차원으로 코팅되는 기판;을 포함하고,
    상기 프린팅 건은
    레이저빔 또는 전자빔을 이용하여, 세라믹 분말을 용융 분사하여 세라믹 매트릭스를 형성하는 제1노즐; 및 레이저빔 또는 전자빔을 이용하여, 세라믹 매트릭스의 빈 공간에 섬유 강화재를 용융 방사하는 제2노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1노즐 및 상기 제2노즐은 동시에 용융물을 분사하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 탄소계 세라믹 분말 및 산화물계 세라믹 분말 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 강화재는 탄소 섬유, 세라믹 섬유 및 고분자 섬유 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프린팅 건은 상기 제1노즐 및 제2노즐 각각의 외곽에 형성되는 보조가스 통로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  6. 세라믹 매트릭스 소재에 섬유 강화재가 혼합된 세라믹 매트릭스 복합재(CMC, ceramic matrix composite)를 제조하는 3D 프린팅 방법에 있어서,
    (a) 전원 장치에 입력된 정보에 따라 프린팅 건이 3차원으로 거동하고, 레이저빔 또는 전자빔을 이용하여 프린팅 건의 제1노즐과 제2노즐로부터 용융물이 분사되어, 상기 프린팅 건의 하부 영역에 위치하는 기판 상에 단일층을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 단일층을 연속적으로 적층하여 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1노즐로부터 세라믹 분말이 용융 분사되어 세라믹 매트릭스를 형성하고, 상기 제2노즐로부터 섬유 강화재가 용융 방사되어 세라믹 매트릭스의 빈 공간에 섬유 강화재가 혼합되면서, 3D 형상의 세라믹 매트릭스 복합재가 제조되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 제1노즐로부터 용융 분사되는 세라믹 분말과, 상기 제2노즐로부터 용융 방사되는 섬유 강화재가 동시에 분사되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 탄소계 세라믹 분말 및 산화물계 세라믹 분말 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 섬유 강화재는 탄소 섬유, 세라믹 섬유 및 고분자 섬유 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 프린팅 건의 제1노즐과 제2노즐로부터 용융물이 분사되는 동안, 상기 제1노즐 및 제2노즐 각각의 외곽에 형성되는 보조가스 통로부로부터 비활성 가스가 분사되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.



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