KR102033147B1 - 적층 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 적층 제조 방법은 분말을 연속적으로 적층하여 3차원 물체를 제조하는 방법으로서, 상기 3차원 물체의 일 단면과 상응하는 조형 영역에 위치하는 분말에 빔을 조사하여 해당 분말을 용융 결합시켜 조형층을 형성하는 조형층 형성 단계; 및 상기 조형층의 온도 구배를 감소시키기 위해서 상기 조형 영역과 이격되어 위치하는 분말에 빔을 조사하여 해당 분말을 용융 결합시켜 차폐층을 형성하는 차폐층 형성 단계;를 포함하고, 상기 조형층 형성 단계 및 상기 차폐층 형성 단계는 함께 수행될 수 있다.

Description

적층 제조 방법 {METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING}
이하의 설명은 3차원 물체를 형성하기 위한 적층 제조 방법에 관한 것이다.
적층 제조 방법은 적층 가공이라고도 하며, 3차원 물체를 만들어 내기 위해 원료를 여러 층으로 쌓아 결합시키는 제조 방법이다. 적층 제조 방법에 사용되는 원료로는 고체의 열가소성 플라스틱, 금속 분말, 세라믹 분말, 또는 모래 등을 이용할 수 있다. 또한, 적층 제조 방법은 컴퓨터로 미리 디자인된 3D 형상을 제공받아 그 3D 형상의 일 단면을 하나씩 적층함으로써 3차원 물체를 만들어 낼 수 있다.
한편, 플라스틱, 세라믹, 또는 금속 등의 분말을 원료로 사용하는 적층 제조 방법은 분말에 레이저, 전자빔 등을 조사하여 분말을 가열하고 융합시키는 방식을 사용한다. 레이저, 전자빔 등에 노출된 분말은 조형체의 일 단면에 해당하는 조형층을 형성하고, 조형층을 적층하여 조형체를 형성하게 된다. 이때, 조형체를 형성하기 위한 분말은 PBF(Powder Bed Fusion) 공정과 같이 미리 특정 영역에 도포되어 있거나, DED(Direct Energy Deposition) 공정과 같이 레이저, 전자빔 등을 조사하면서 노즐을 이용하여 목표 지점에 직접 분사될 수 있다. 특히, 분말에 조사되는 빔이 전자빔인 적층 공정은 EBM(Electron Beam Melting) 공정으로 불릴 수 있다.
그런데, 이러한 종래의 적층 제조 방법으로 형성된 조형체는 레이저, 전자빔 등으로부터 에너지를 전달받아 조형체의 외부 영역보다 높은 온도를 가진다. 이때, 상대적으로 외부 영역에 노출되는 정도가 큰 조형체의 외측은 조형체의 내측보다 온도가 낮게 분포되는데, 이러한 온도차이에 기인한 열응력은 조형체 상에 균열을 발생시켜 조형체의 물성과 신뢰성을 저해하는 문제점이 있었다.
도 1에는 종래의 적층 제조 방법으로 형성된 조형체(1)의 사진과, 조형체(1)의 형성 직후 X-X'선에 따른 위치의 온도를 개략적으로 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 도 1-(b)에 도시된 바와 같이, 종래의 조형체(1)의 좌단부 L1과 우단부 R1의 온도는 조형체(1)의 내측보다 낮게 형성됨을 확인할 수 있다. 이러한 온도 구배로 인한 열응력은 도 1-(a)에 도시된 바와 같이 조형체(1) 상에 균열(C)을 초래하여 조형체(1)의 물성 및 신뢰성을 크게 저해한다.
이에, 선행기술문헌인 일본등록특허공보 제5730950호의 적층 제조 장치는 조형체 제작 공간을 형성하는 프레임(1)에 단열재(13)를 구비하였다. 단열재(13)는 적층 제조 장치의 외부와 조형체 제작 공간 간의 열 이동을 차단하여 조형체의 온도 구배를 낮게 유지하고자 하였다. 그러나 단열재(13)에 의해 조형체 제작 공간을 단열시키더라도 레이저에 의해 온도가 상승한 조형체는 여전히 외부 영역인 조형체 제작 공간보다 온도가 높기 때문에, 상기 적층 제조 장치는 균열이 발생하는 것을 충분히 억제하지 못했다.
일본등록특허공보 제5730950호(2015.04.17. 등록)
본 발명에 따른 적층 제조 방법은 조형체의 온도 구배를 낮추어 조형체에 균열이 발생하는 것을 억제함으로써, 적층 조형된 조형체의 물성과 신뢰성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 제조 방법은 분말을 연속적으로 적층하여 3차원 물체를 제조하는 방법으로서, 상기 3차원 물체의 일 단면과 상응하는 조형 영역에 위치하는 분말에 빔을 조사하여 해당 분말을 용융 결합시켜 조형층을 형성하는 조형층 형성 단계; 및 상기 조형층의 온도 구배를 감소시키기 위해서 상기 조형 영역과 이격되어 위치하는 분말에 빔을 조사하여 해당 분말을 용융 결합시켜 차폐층을 형성하는 차폐층 형성 단계;를 포함하고, 상기 조형층 형성 단계 및 상기 차폐층 형성 단계는 병행하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 차폐층은 상기 조형층의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 차폐층은 상기 조형층의 모퉁이를 둘러싸도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 차폐층의 폭은 50㎛ 내지 1cm일 수 있다.
또한, 상기 조형층과 상기 차폐층 사이의 거리는 50㎛ 내지 5mm일 수 있다.
또한, 상기 조형층 형성 단계에서는 상기 조형층이 연속적으로 적층되어 조형체를 형성하며, 상기 차폐층 형성 단계에서는 상기 차폐층이 연속적으로 적층되어 차폐벽을 형성하고, 상기 조형층 형성 단계 및 상기 차폐층 형성 단계를 수행한 후, 상기 차폐벽을 제거하는 차폐벽 제거 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 차폐벽은 격자 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 차폐벽의 외면은 평면, 곡면, 및 요철면 형태 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 조형층 형성 단계 및 상기 차폐층 형성 단계는 PBF(Powder Bed Fusion), EBM(Electron Beam Melting), 및 DED(Direct Energy Deposition) 공정 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
또한, 상기 조형층 형성 단계 및 상기 차폐층 형성 단계 전에 분말을 도포하여 하나의 분말층을 형성하는 분말층 준비 단계;를 더 포함하고, 상기 조형층 형성 단계에서는 상기 하나의 분말층에서 상기 3차원 물체의 일 단면과 상응하는 조형 영역에 위치하는 분말에 빔을 조사하며, 상기 차폐층 형성 단계에서는 상기 하나의 분말층에서 상기 조형 영역과 이격되어 위치하는 분말에 빔을 조사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층 제조 방법은 차폐벽을 통해 조형체의 외측으로부터 외부 영역으로 이동하는 열을 줄여 조형체의 온도 구배를 감소시키고, 조형체에 균열이 발생하는 것을 효과적으로 억제하여 조형체의 물성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 적층 제조 방법으로 형성된 조형체의 사진과, 조형체의 형성 직후 X-X'선에 따른 위치의 온도를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조형 영역과 차폐층 영역을 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 조형 영역 및 차폐층 영역에 빔을 조사하여 조형층 및 차폐층을 형성하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 과정에 따라 형성된 조형체 및 차폐벽의 사진과, 조형체 및 차폐벽의 형성 직후 Y-Y'선에 따른 위치의 온도를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 제조 방법으로 형성된 조형체의 정면과 측면을 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽의 형태들을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말층에 조형층 및 차폐층을 형성하는 적층 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 방법에 따라 조형층 및 차폐층을 적층하는 과정을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 구체적인 실시예들을 상세히 설명하도록 한다. 아울러, 관련된 공지 구성 또는 공지 기능에 대한 구체적인 설명이 상기 실시예들의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적인 설명을 생략한다.
한편, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수만을 가리키는 것이 아닌 한 복수의 표현을 포함한다. 그리고 특정 부분이 특정 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 상기 특정 부분은 상기 특정 구성 외의 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 상기 다른 구성을 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조형 영역(A1)과 차폐층 영역(A2)을 도시한 도면이다. 도 4는 도 2에 도시된 조형 영역(A1) 및 차폐층 영역(A2)에 빔을 조사하여 조형층(10) 및 차폐층(20)을 형성하는 과정을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층 제조 방법은 분말을 연속적으로 적층하여 3차원 물체를 제조하는 방법으로서, 조형층 형성 단계; 차폐층 형성 단계;를 포함하고, 상기 조형층 형성 단계 및 상기 차폐층 형성 단계를 병행하여 수행한다.
본 발명의 설명에서 분말은 플라스틱, 세라믹, 또는 금속 등의 성분을 포함하는 복수개의 입자를 의미하며, 본 발명에 따른 적층 제조 방법에 의해 형성되는 3차원 물체의 원료가 된다. 상기 3차원 물체는 다양한 형상의 입체적 형태로 형성될 수 있다.
조형층 형성 단계에서는 3차원 물체의 일 단면과 상응하는 조형 영역(A1)에 위치하는 분말에 빔을 조사하여 해당 분말을 용융 결합시켜 조형층(10)을 형성한다.
조형 영역(A1)은 3차원 물체의 일 단면 모양에 따라 다양한 모양을 취할 수 있다. 예를 들어 3차원 물체가 직육면체 형상일 경우, 조형 영역(A1)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 사각형 영역일 수 있다. 3차원 물체가 직육면체 형상이면, 조형 영역(A1)은 각 조형층(10) 형성 과정에서 동일한 모양으로 유지될 수 있다. 반면에 3차원 물체의 형상이 곡면을 포함하는 경우, 조형 영역(A1)은 3차원 물체의 각 단면에 따라 각 조형층(10) 형성 과정에서 그 모양을 달리할 수 있다.
조형층(10)은 3차원 물체의 일부 면적 또는 일부 부피를 구성하는 요소로서, 상기한 조형 영역(A1)에 위치하는 분말에 빔을 조사함으로써 형성된다. 이때 분말은 조형 영역(A1)을 포함하는 영역에 미리 도포되어 있거나, 빔을 조사하기 전 또는 그와 동시에 조형 영역(A1)의 적어도 일부분에 노즐을 통해 직접 분사될 수 있다.
분말에 조사되는 빔은 레이저, 전자빔 등의 에너지 또는 입자의 흐름으로, 조사되는 물체를 급속 가열할 수 있다. 이러한 빔을 특정 영역에 밀집한 분말에 조사하게 되면, 해당 분말은 빔에 의해 가열되어 용융되고 인접한 분말끼리 결합되어 일체화될 수 있다. 이때, 빔은 에너지를 조형 영역(A1)에 위치하는 분말의 일정 깊이까지 전달하여 얇은 막 형태의 조형층(10)을 형성할 수 있다.
차폐층 형성 단계에서는 조형층(10)의 온도 구배를 감소시키기 위해서 조형 영역(A1)과 이격되어 위치하는 분말에 빔을 조사하여 해당 분말을 용융 결합시켜 차폐층(20)을 형성한다. 차폐층(20)은 상기 조형 영역(A1)과 이격된 위치 중의 적어도 일부인 차폐층 영역(A2)에 형성될 수 있다.
차폐층 영역(A2)에 위치하는 분말에 빔을 조사하여 해당 분말을 용융 결합시키는 원리와 그 과정은 조형층 형성 단계에서 설명한 바와 같으므로 생략한다. 차폐층 영역(A2)에 위치하는 분말은 조형 영역(A1)의 위치하는 분말과 동일할 수도 있고, 다른 물질을 포함하거나 다른 물질로 이루어질 수 있다. 일 실시예에 따른 차폐층 형성 단계는 열차단 효과가 뛰어난 물질이 포함된 분말을 이용하여 차폐층(20)을 형성할 수 있다.
차폐층(20)은 조형층(10)의 외측으로부터 외부 영역으로 이동하는 열을 줄여 조형층(10)의 온도 구배를 감소시킬 수 있다. 이때, 차폐층(20)은 조형 영역(A1)과 이격되어 형성되므로 빔에 의해 조형층(10)과 용융 결합되지 않으면서 조형층(10)의 온도 구배를 감소시킬 수 있다.
차폐층 영역(A2)은 조형 영역(A1)의 적어도 일부를 둘러싸는 형태의 영역일 수 있다. 이러한 차폐층 영역(A2)에서 형성되는 차폐층(20)은 조형층(10)의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 일 실시예에 따른 차폐층 영역(A2)은 도 2에 도시된 바와 같이, 사각형 모양의 조형 영역(A1)을 따라 사각고리 형태로서 조형 영역(A1)의 둘레 전부를 둘러쌀 수 있다. 이러한 차폐층 영역(A2)에 형성된 차폐층(20)은 조형층(10)의 둘레 전부를 둘러싸 조형층(10)의 외측으로부터 외부 영역으로 이동하는 열을 효과적으로 줄일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 차폐층 영역(A2)은 도 3에 도시된 바와 같이, 조형 영역(A1)의 모퉁이를 둘러싸는 형태의 영역일 수 있다. 이러한 차폐층 영역(A2)에서 형성되는 차폐층(20)은 조형층(10)의 모퉁이를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 도 3에서 차폐층 영역(A2)은 사각형 모양의 조형 영역(A1)의 네 모퉁이 주변을 둘러쌀 수 있다. 이러한 차폐층 영역(A2)에 형성된 차폐층(20)은 조형층(10)의 모퉁이를 둘러싸 차폐층(20)을 형성하는 분말의 양을 최소화할 수 있다. 이때, 조형층(10)의 모퉁이는 조형층(10)이 외부 영역과 접촉하는 표면적이 다른 부분에 비해 넓으므로, 본 실시예에 따른 차폐층(20)은 조형층(10)의 온도 구배 감소 효과가 크게 저하되지 않는다.
한편, 차폐층 영역(A2)의 두께 W는 50㎛ 내지 1cm으로 한정될 수 있다. 도 2에서 두께 W는 차폐층 영역(A2)의 모든 부분에서 동일하게 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며 차폐층 영역(A2)은 50㎛ 내지 1cm의 범위 내에서 다양한 길이의 두께 W를 가지는 영역일 수 있다. 이러한 두께 W의 범위를 가지는 차폐층 영역(A2)에서 형성되는 차폐층(20)의 두께는 50㎛ 내지 1cm일 수 있다. 차폐층(20)의 두께가 50㎛ 미만일 경우, 열의 이동을 감소시키는 효과가 적어 3차원 물체의 균열을 방지할 만큼 조형층(10)의 온도 구배를 감소시키지 못할 수 있다. 차폐층(20)의 두께가 1cm를 초과할 경우, 차폐층(20)을 형성하거나 제거하는 데에 소요되는 시간이 길어져 적층 제조 방법의 생산성이 저하될 수 있다.
또한, 조형 영역(A1)과 차폐층 영역(A2) 사이의 거리 D는 50㎛ 내지 5mm으로 한정될 수 있다. 도 2에서 거리 D는 조형 영역(A1)과 차폐층 영역(A2) 사이의 영역에서 모두 동일하게 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며 조형 영역(A1)과 차폐층 영역(A2)의 각 부분은 50㎛ 내지 5mm의 범위 내에서 다양한 길이의 거리 D만큼 이격될 수 있다. 이러한 거리 D의 범위를 가지고 조형 영역(A1)과 이격된 차폐층 영역(A2)에서 형성되는 차폐층(20)과 조형층(10) 사이의 거리는 50㎛ 내지 5mm일 수 있다. 차폐층(20)과 조형층(10) 사이의 거리가 50㎛ 미만일 경우, 조형층(10)과 차폐층(20)이 융착되어 3차원 물체의 정밀도가 저하될 수 있다. 차폐층(20)과 조형층(10) 사이의 거리가 5mm를 초과할 경우, 조형층(10)의 외측에 분포된 열이 조형층(10)과 차폐층(20)에 의해 차폐되지 못하여 조형층(10)의 온도 구배를 감소시키지 못할 수 있다.
상술한 조형층 형성 단계 및 차폐층 형성 단계는 병행하여 수행된다. 예를 들어, 조형 영역(A1) 및 차폐층 영역(A2)에 위치하는 분말에 빔을 동시에 조사하여 조형층(10) 및 차폐층(20)을 동시에 형성할 수 있고, 소정의 기간 내에 조형층(10) 및 차폐층(20)을 순차적으로 형성할 수도 있다. 차폐층(20)을 조형층(10)보다 먼저 형성하는 경우, 차폐층(20)은 조형층(10)의 일부가 형성되는 동안에 기형성된 조형층(10)의 일부에서 외부 영역으로 열이 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.
또한, 분말에 조사되는 빔은 출력 에너지를 조절 가능할 수 있다. 빔의 출력 에너지를 높이는 경우, 조형층(10)과 차폐층(20)이 가열되는 범위가 증가하여 조형층(10)의 온도 구배를 더욱 감소시킬 수 있다.
또한, 상술한 조형층 형성 단계 및 차폐층 형성 단계는 PBF(Powder Bed Fusion), EBM(Electron Beam Melting), 및 DED(Direct Energy Deposition) 공정 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 제조 방법에 따라 직육면체 형상의 3차원 물체를 제조하는 과정을 설명한다. 도 4에는 도 2에 도시된 조형 영역(A1) 및 차폐층 영역(A2)에 조형층(10) 및 차폐층(20)을 각각 형성하는 과정을 측면에서 본 모습이 도시되어 있다.
먼저, 3차원 물체가 제조될 위치에서 조형 영역(A1) 및 차폐층 영역(A2)에 위치하는 분말에 빔을 조사하면 제1조형층(11) 및 제1차폐층(21)이 각각 형성된다. 이후 같은 방식으로 제1조형층(11) 위에는 제2조형층(12)이, 제1차폐층(21) 위에는 제2차폐층(22)이 형성된다. 다시 제2조형층(12) 위에 제3조형층(13)을 형성하고, 제2차폐층(22) 위에 제3차폐층(23)을 형성하는 등 조형층(10) 및 차폐층(20) 형성과정을 반복하여 적층함으로써, 적층 제조 방법은 3차원 물체를 제조할 수 있다. 이때, 복수개의 차폐층(20)은 소정의 부피를 가지고 후술할 차폐벽(200)을 형성할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 과정에 따라 형성된 조형체(100) 및 차폐벽(200)의 사진과, 조형체(100) 및 차폐벽(200)의 형성 직후 Y-Y'선에 따른 위치의 온도를 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 제조 방법으로 형성된 조형체(100)의 정면과 측면을 나타낸 사진이다.
도 4에 도시된 바와 같은 과정을 거쳐 조형층 형성 단계에서는 조형층(10)이 연속적으로 적층되어 조형체(100)를 형성하며, 차폐층 형성 단계에서는 차폐층(20)이 연속적으로 적층되어 차폐벽(200)을 형성할 수 있다.
조형체(100)는 복수개의 조형층(10)이 적층하여 형성하는 물체로, 소정의 부피를 가진다. 이러한 조형체는(100) 본 발명에 따른 적층 제조 방법으로 제조되는 3차원 물체의 전부 또는 일부일 수 있다. 한편, 차폐벽(200)은 복수개의 차폐층(20)을 적층하여 형성하는 물체로, 소정의 부피를 가진다.
도 2에 도시된 바와 같은 조형 영역(A1) 및 차폐층 영역(A2)에 조형층(10) 및 차폐층(20)을 적층하면, 도 5-(a)에 도시된 바와 같이 직육면체 형상의 조형체(100)와 사각틀 형상의 차폐벽(200)을 형성할 수 있다.
차폐벽(200)은 조형체(100)의 외측으로부터 외부 영역으로 이동하는 열을 줄여 조형체(100)의 온도 구배를 감소시킬 수 있다. 이때, 조형체(100)는 조형층(10)을 적층하여 형성하므로, 조형층(10)의 온도 구배를 감소시키는 차폐층(20)은 조형체(100)의 온도 구배 역시 감소시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 조형체(100) 및 차폐벽(200)의 형성 직후 도 5-(a)의 Y-Y'선에 따른 위치의 온도는 차폐벽(200)에 의해 도 5-(b)와 같은 온도 구배를 가질 수 있다. 도 5-(b)를 참조하면, 조형체(100)의 좌단부 L2와 우단부 R2 사이의 온도와, 차폐벽(200)의 온도는 다른 위치보다 높게 형성될 수 있다. 또한, 조형체(100)의 좌단부 L2와 우단부 R2의 온도는 도 1-(b)에 도시된 종래의 조형체(1)보다 높은 온도를 가진다. 따라서, 본 발명에 따른 적층 제조 방법으로 형성한 조형체(100)는 종래의 조형체(1)보다 낮은 온도 구배를 가지게 된다.
조형체(100)의 온도 구배가 낮아지면, 조형체(100)에 작용하는 열응력이 감소하여 균열(C)이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 조형체(100)는 도 1-(a)에 도시된 종래의 조형체(1)에 비하여 균열(C)을 효과적으로 방지할 수 있다. 여기서 도 6-(a)는 조형체(100)의 정면을 나타낸 사진이고, 도 6-(b)는 조형체(100)의 측면을 나타낸 사진이다. 이처럼 본 발명에 따른 적층 제조 방법은 조형체(100)의 균열(C) 발생을 억제함으로써, 조형체(100)의 물성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 제조 방법은 조형층 형성 단계 및 차폐층 형성 단계를 수행한 후, 차폐벽(200)을 제거하는 차폐벽 제거 단계;를 더 포함할 수 있다. 이러한 차폐벽 제거 단계에서는, 조형체(100)와 차폐벽(200)이 접촉하고 있는 일면(이하 조형면이라고 한다.)으로부터 차폐벽(200)을 이탈시키는 과정을 포함할 수 있다. 또한, 차폐벽 제거 단계는 조형체(100)의 온도가 외부 영역과 유사해져 안정화된 이후에 수행될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐벽(200)의 형태들을 도시한 도면이다.
일 실시예에 따른 차폐벽(200)은 격자 형상으로 형성될 수 있다. 이때 조형면과 접촉하는 차폐벽(200)의 일면, 예를 들어 도 7-(a)에 도시된 차폐벽(200)의 하면은 상대적으로 단면적이 작게 형성될 수 있다. 이를 통해 차폐벽(200)은 조형면으로부터 보다 용이하게 제거될 수 있다.
격자 형상의 차폐벽(200)은 차지하고 있는 공간 내에 중공을 포함하고 있어, 동일 체적의 조밀한 차폐벽(200)에 비해 적은 양의 분말로 형성될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 적층 제조 방법은 차폐벽(200) 형성에 소모되는 분말의 양을 적게 하면서도 조형체(100)의 온도 구배를 감소시킬 수 있다.
또한, 차폐벽(200)의 외면은 평면, 곡면, 및 요철면 형태 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 차폐벽(200)은 도 7-(b)에 도시된 바와 같이 물결 형상의 곡면으로 형성될 수 있다. 차폐벽(200)의 외면을 곡면이나 요철면으로 형성하면, 차폐벽(200)의 외면은 표면적이 증가하여 유효한 가열면적이 증가하고, 이를 통해 열차폐 효과를 향상시킬 수 있다.
상술한 차폐벽(200)은 단일벽 형태로 형성될 수 있고, 복수개로 구비되어 이중벽 형태로도 형성될 수 있다. 도 7-(c)에 도시된 바와 같이 이중벽 형태의 차폐벽(200)은 조형체(100)의 외측으로부터 외부 영역으로 이동하는 열을 중첩적으로 차단하여 조형체(100)의 온도 구배 감소효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도 8 및 도 9를 참조하여 분말이 미리 도포하는 경우의 적층 제조 방법에 관하여 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말층(40)에 조형층(10) 및 차폐층(20)을 형성하는 적층 제조 방법을 도시한 도면이다. 도 9는 도 8에 도시된 적층 제조 방법에 따라 조형층(10) 및 차폐층(20)을 적층하는 과정을 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 적층 제조 방법은 복수개의 분말층(40)을 연속적으로 적층하여 3차원 물체를 제조하는 방법으로서, 분말층 준비 단계; 조형층 형성 단계; 및 차폐층 형성 단계;를 포함한다. 이하의 설명에서 분말, 조형 영역(A1) 및 빔(30)에 관한 설명은 전술한 바와 중복되므로 생략한다.
분말층 준비 단계에서는 분말을 도포하여 하나의 분말층(40)을 형성한다. 분말층(40)은 도 8-(a)에 도시된 바와 같이, 소정의 두께를 가지도록 특정 영역에 도포된 분말의 집단을 의미할 수 있다. 이러한 분말층(40)은 전술한 조형 영역(A1) 및 차폐층 영역(A2)을 포함하는 영역에 도포될 수 있다.
조형층 형성 단계에서는 하나의 분말층(40)에서 3차원 물체의 일 단면과 상응하는 조형 영역(A1)에 위치하는 분말에 빔(30)을 조사하여 해당 분말을 용융 결합시켜 조형층(10)을 형성한다. 도 8-(a)에 도시된 바와 같이, 빔(30)은 분말층(40)에서 도 2와 같은 조형 영역(A1)에 위치하는 분말에 조사될 수 있다.
차폐층 형성 단계에서는 조형층(10)의 온도 구배를 감소시키기 위하여 하나의 분말층(40)에서 조형 영역(A1)과 이격되어 위치하는 분말에 빔(30)을 조사하여 해당 분말을 용융 결합시켜 차폐층(20)을 형성한다. 도 8-(a)에 도시된 바와 같이, 빔(30)은 분말층(40)에서 도 2와 같이 조형 영역(A1)과 이격된 차폐층 영역(A2)에 위치하는 분말에 조사될 수 있다.
이러한 조형층 형성 단계 및 차폐층 형성 단계는 하나의 분말층(40)에서 병행하여 수행된다. 이때 DED 방식을 사용하는 경우, 분말층(40) 형성과 조형층(10) 및 차폐층(20)의 형성은 동시에 진행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 하나의 분말층(40)에 빔(30)이 조사되면, 하나의 분말층(40)에는 해당 분말이 용융 결합되어 도 8-(b)에 도시된 것처럼 조형층(10) 및 차폐층(20)이 형성될 수 있다. 이하에서 이렇게 최초로 형성된 분말층(40), 조형층(10), 및 차폐층(20)을 각각 제1분말층(41), 제1조형층(11), 및 제1차폐층(21)이라고 정의한다.
본 실시예에 따른 적층 제조 방법은 제1분말층(41), 제1조형층(11), 및 제1차폐층(21)을 형성한 이후 도 9-(a)에 도시된 바와 같이, 새로운 분말층(40)인 제2분말층(42)을 제1분말층(41) 위에 도포할 수 있다. 그 다음 제2분말층(42)에서 조형 영역(A1) 및 차폐층 영역(A2)에 위치하는 분말에 빔(30)을 조사하면 해당 영역에 제2조형층(12) 및 제2차폐층(22)이 형성될 수 있다. 이후 같은 방식으로 도 9-(b)에 도시된 바와 같이 제3분말층(43), 제3조형층(13), 및 제3차폐층(23)을 형성하는 등 분말층(40), 조형층(10), 및 차폐층(20) 형성과정을 반복하여 적층함으로써, 적층 제조 방법은 조형체(100) 및 차폐벽(200)을 형성할 수 있다. 조형체(100) 및 차폐벽(200)을 형성한 뒤에, 남은 분말층(40)의 분말은 제거될 수 있다.
본 실시예에서 분말은 조형 영역(A1)을 포함하는 영역에 미리 도포되어 있으나, 다른 실시예에서 분말은 빔(30)을 조사함과 동시에 조형 영역(A1)의 적어도 일부분에 노즐을 통해 직접 분사될 수도 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 기술 사상의 일부 예를 설명한 것에 불과하고, 본 기술 사상의 범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 본 기술 사상의 범위 내에서의 다양한 변경, 변형 또는 치환이 있을 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서 함께 설명된 구성들 내지는 특징들은 서로 분산되어 실시될 수 있고, 서로 다른 실시예 각각에서 설명된 구성들 내지는 특징들은 서로 결합된 형태로 실시될 수 있다. 마찬가지로, 각 청구항에 기재된 구성들 내지는 특징들도 서로 분산되어 실시되거나 결합되어 실시될 수 있다. 그리고 위와 같은 실시는 모두 본 기술 사상의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
1: 종래의 조형체
10: 조형층 20: 차폐층
100: 조형체 200: 차폐벽
A1: 조형 영역 A2: 차폐층 영역

Claims (10)

  1. 분말을 연속적으로 적층하여 3차원 물체를 제조하는 방법으로서,
    상기 3차원 물체의 일 단면과 상응하는 조형 영역에 위치하는 분말에 빔을 조사하여 해당 분말을 용융 결합시켜 조형층을 형성하는 조형층 형성 단계; 및
    상기 조형층의 온도 구배를 감소시키기 위해서 상기 조형 영역과 이격되어 위치하는 분말에 빔을 조사하여 해당 분말을 용융 결합시켜 차폐층을 형성하는 차폐층 형성 단계;를 포함하고,
    상기 조형층 형성 단계 및 상기 차폐층 형성 단계는 병행하여 수행되는 것을 포함하되,
    상기 조형층 형성 단계에서는 상기 조형층이 연속적으로 적층되어 조형체를 형성하며,
    상기 차폐층 형성 단계에서는 상기 차폐층이 연속적으로 적층되어 차폐벽을 형성하는 단계;를 포함하는 것인 적층 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차폐층은 상기 조형층의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는, 적층 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 차폐층은 상기 조형층의 모퉁이를 둘러싸도록 형성되는, 적층 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차폐층의 폭은 50㎛ 내지 1cm인 것을 특징으로 하는, 적층 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조형층과 상기 차폐층 사이의 거리는 50㎛ 내지 5mm인 것을 특징으로 하는, 적층 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 조형층 형성 단계 및 상기 차폐층 형성 단계를 수행한 후, 상기 차폐벽을 제거하는 차폐벽 제거 단계;를 더 포함하는, 적층 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 차폐벽은 격자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 적층 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 차폐벽의 외면은 평면, 곡면, 및 요철면 형태 중 어느 하나의 형태로 형성되는, 적층 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 조형층 형성 단계 및 상기 차폐층 형성 단계는 PBF(Powder Bed Fusion), EBM(Electron Beam Melting), 및 DED(Direct Energy Deposition) 공정 중 어느 하나를 이용하는, 적층 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 조형층 형성 단계 및 상기 차폐층 형성 단계 전에 분말을 도포하여 하나의 분말층을 형성하는 분말층 준비 단계;를 더 포함하고,
    상기 조형층 형성 단계에서는 상기 하나의 분말층에서 상기 3차원 물체의 일 단면과 상응하는 조형 영역에 위치하는 분말에 빔을 조사하며,
    상기 차폐층 형성 단계에서는 상기 하나의 분말층에서 상기 조형 영역과 이격되어 위치하는 분말에 빔을 조사하는, 적층 제조 방법.
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