KR102060047B1 - 방향성응고조직 구현 적층공정 기술 - Google Patents

방향성응고조직 구현 적층공정 기술 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 방향성응고조직 구현 적층공정 기술을 제공한다. 이때, 상기 방향성응고조직 구현 적층공정 기술은 (i) 파우더베드 상에 금속 분말을 공급하는 단계, (ii) 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계, (iii) 상기 용융된 금속 분말을 냉각 및 고화함으로써 하나의 레이어를 형성하는 단계 및 (iv) 상기 레이어의 적층을 통해 입체 조형물이 완성될때까지 상기 (i) 내지 (iii)단계를 반복하여 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 방향성응고조직 구현 적층공정 기술은 상기 금속 분말을 용융하는 단계에서, 상기 조형광원의 포커스사이즈(Focus size)를 상기 조형광원의 스팟사이즈(spot size)보다 크게 하여 온도구배를 형성함으로써 방향성응고조직을 갖는 레이어를 형성하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 스팟사이즈 : 상기 포커스사이즈 = 1 : 1.2 내지 2.8인 것을 특징으로 한다.

Description

방향성응고조직 구현 적층공정 기술{Additive manufacturing process technology of metallic materials with directional solidification structure}
본 발명은 방향성응고조직 구현 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적층공정에서 방향성응고조직을 구현하는 기술에 관한 것이다.
적층가공은 3D프린팅이라고 불리기도 하며, 디지털 디자인 데이터를 이용하여 소재를 연속적으로 적층하여 3차원의 입체적 물체를 제조하는 프로세스를 말한다.
3D프린팅은 시제품의 제작 비용 및 시간 절감, 다품종 소량생산, 손쉬운 맞춤형 제작, 복잡한 형상 제조 가능, 제조 공정 간소화, 인건비 및 조립비용 절감이라는 장점이 있어서 산업계에서 주목 받고 있다.
그러나 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting, SLM) 또는 전자빔 용해법(Electron Beam Melting)과 같이 금속 분말을 소재로 하여 3D 프린팅 제품을 제조할 경우, 제품의 미세조직이 지그재그 입계를 형성하거나 결정립 성장이 불연속적이게 되어 인장강도, 항복강도 및 연신율과 같은 기계적 특성이 약하다는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해서는 제품의 미세조직 및 결정립이 방향성을 이루도록 하는 것이 중요하다. 종래 방향성응고조직을 구현하는 방법으로는 압탕을 통해 온도구배를 형성하여 주입구와 멀어서 온도가 낮은 곳부터 응고하여 방향성을 가지도록하는 방법이 있었다.
그러나 상기 방법은 3D 프린팅에 적용하기에는 어려움이 있어 3D 프린팅에 적용가능한 방향성응고조직 구현 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-0762039호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 방향성응고조직을 가지는 입체조형물을 제조하기 위한 적층공정 기술을 제공하는 것이다.
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 발명의 일실시예는 방향성응고조직 구현 적층공정 기술을 제공한다.
이때, 상기 방향성응고조직 구현 적층공정 기술은 (i) 파우더베드 상에 금속 분말을 공급하는 단계, (ii) 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계, (iii) 상기 용융된 금속 분말을 냉각 및 고화함으로써 하나의 레이어를 형성하는 단계 및 (iv) 상기 레이어의 적층을 통해 입체 조형물이 완성될때까지 상기 (i) 내지 (iii)단계를 반복하여 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 방향성응고조직 구현 적층공정 기술은 상기 금속 분말을 용융하는 단계에서, 상기 조형광원의 포커스사이즈(Focus size)를 상기 조형광원의 스팟사이즈(spot size)보다 크게 하여 상기 용융된 금속 분말의 용해/응고시 온도구배를 제어하여 방향성응고조직을 갖는 금속부품을 제조하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 스팟사이즈 : 상기 포커스사이즈 = 1 : 1.2 내지 2.8인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 포커스사이즈는 10 ㎛ 내지 500㎛인 것을 특징으로 한다.
이때, 레이어의 적층두께는 65㎛ 내지 85㎛인 것을 특징으로 한다.
이때, 조형광원의 속도는 500mm/s 내지 6000 mm/s 인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 조형광원을 조사하기 전 상기 금속 분말을 예열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 금속 분말을 예열하는 단계에 있어서, 상기 예열온도는 950℃ 내지 1050℃ 인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 조형광원은 전자빔 또는 레이저를 포함할 수 있다.
이때, 상기 금속 분말은 단일원소 금속 또는 다원계 합금을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 상기 방향성응고조직 구현 적층공정 기술을 통해 제조된 입체 조형물을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 방향성응고조직의 구현이 가능한 적층공정 기술을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 적층공정을 통해 제조되고 방향성응고조직이 구현된 입체 조형물을 제공할 수 있다.
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 본 발명의 일실시예에 따른 방향성응고조직 구현 적층공정 기술을 도시한 순서도이다.
도 2는 조형광원의 포커스사이즈/스팟사이즈 비에 따른 온도구배를 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방향성응고조직 구현 적층공정 기술에 의해 제조된 입체 조형물의 미세조직 이미지이다.
도 4는 조형광원의 포커스사이즈/스팟사이즈 비에 따른 입체 조형물의 (001)방향의 극점도의 강도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 조형광원의 포커스사이즈/스팟사이즈 비에 따른 입체 조형물의 미세조직적 특성을 나타낸 그래프이다.
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.
본 발명의 일실시예에 따른 방향성응고조직 구현 적층공정 기술을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방향성응고조직 구현 적층공정 기술을 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 상기 방향성응고조직 구현 적층공정 기술은 (i) 파우더베드 상에 금속 분말을 공급하는 단계(S100), (ii) 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계(S200), (iii) 상기 용융된 금속 분말을 냉각 및 고화함으로써 하나의 레이어를 형성하는 단계(S300) 및 (iv) 상기 레이어의 적층을 통해 입체 조형물이 완성될때까지 상기 (i) 내지 (iii)단계를 반복하여 적층하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 방향성응고조직 구현 적층공정 기술은 상기 금속 분말을 용융하는 단계에서, 상기 조형광원의 포커스사이즈(Focus size)를 상기 조형광원의 스팟사이즈(Spot size)보다 크게 하여 상기 용융된 금속 분말에 온도구배를 형성함으로써 방향성응고조직을 갖는 레이어를 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 스팟사이즈(Focus size)는 상기 조형광원의 초점을 상기 금속 분말의 표면에 맞추었을 때, 상기 금속 분말의 표면에 상기 조형광원이 닿는 면적을 의미한다.
이때, 상기 포커스사이즈(Spot size)는 상기 조형광원의 초첨을 상기 금속 분말의 표면보다 가깝게 혹은 멀리 맞추었을 때, 상기 금속 분말의 표면에 상기 조형광원이 닿는 면적을 의미한다.
예를 들어, 상기 (i) 파우더베드 상에 금속 분말을 공급하는 단계(S100)는 분말 도포장치에 의해 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 (i) 파우더베드 상에 금속 분말을 공급하는 단계(S100)는 공급된 분말의 표면을 고르게 만들기 위해 상기 파우더베드를 진동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 (i) 파우더베드 상에 금속 분말을 공급하는 단계(S100)는 상기 조형광원의 초점을 맞추기 위해 상기 파우더베드가 상하 운동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 분말은 단일원소 금속 또는 다원계 합금을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 단일원소 금속은 철(Fe), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 납(Pb), 주석(Zn), 베릴륨(Be), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 규소(Si), 나이오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 다원계 합금은 상기 단일원소 금속의 다원계 합금을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 (ii) 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계(S200)는 레이저 또는 전자빔(Electron Beam)을 조형광원으로 이용하여 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 (ii) 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계(S200)는 조형광원으로 레이저를 이용할 경우, ND:YAG 레이저, CO2 레이저 또는 광섬유 레이저를 이용하여 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 (ii) 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계(S200)는 전자빔(Electron Beam)을 조형광원으로 이용할 경우, 진공 챔버 내에서 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 (ii) 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계(S200)는 상기 조형광원이 상하, 좌우 또는 원추운동을 수행하며 상기 금속 분말을 용융할 수 있다.
예를 들어, 상기 (ii) 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계(S200) 전에 상기 금속 분말을 예열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들러, 상기 금속 분말을 예열하는 단계는 상기 레이어 및 상기 입체 조형물 내부의 잔류응력을 저하시키기 위해 수행될 수 있다.
도 2는 조형광원의 포커스사이즈/스팟사이즈 비에 따른 온도구배를 도시한 그림이다.
도 2를 참조하면, 조형광원의 포커스사이즈보다 스팟사이즈가 작은 경우 및 조형광원의 포커스사이즈와 스팟사이즈가 같은 경우에는 금속 분말이 용융되는 부분에서의 온도구배가 미미하여 방향성응고조직을 구현하기 어렵다.
반면, 조형광원의 포커스사이즈보다 스팟사이즈가 큰 경우에는 금속 분말이 용융되어 형성되는 레이어에서 조형광원으로부터 거리가 먼 부분부터 상기 레이어의 표면까지 현격한 온도구배가 형성됨으로써 상기 레이어가 응고하면서 방향성응고조직을 가지는 레이어를 형성할 수 있다.
이때, 상기 스팟사이즈 : 상기 포커스사이즈 = 1 : 1.2 내지 2.8인 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방향성응고조직 구현 적층공정 기술에 의해 제조된 입체 조형물의 미세조직 이미지이다.
도 3을 참조하면, 포커스사이즈/스팟사이즈의 비가 0.5로 스팟사이즈가 포커스사이즈보다 큰 경우에는 입체 조형물의 미세조직이 불연속적임을 알 수 있다.
반면, 포커스사이즈/스팟사이즈의 비가 1.0 이상으로 포커스사이즈가 스팟사이즈보다 큰 경우에는 입체 조형물의 미세조직이 균일한 방향성을 띄며 연속적인 미세조직을 갖는 것을 알 수 있다.
그러나, 포커스사이즈/스팟사이즈의 비가 3.0에 도달하면 다시 미세조직이 불연속해지므로 포커스사이즈/스팟사이즈의 적정한 비는 1이상 3이하의 범위에 속함을 알 수 있다.
도 4는 조형광원의 포커스사이즈/스팟사이즈 비에 따른 입체 조형물의 극점도를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 포커스사이즈/스팟사이즈의 비가 0.5인 경우와 3.0을 초과하는 경우는 극점이 분산되어있는 반면, 포커스사이즈/스팟사이즈의 비가 2.0인 경우 극점이 한 지점에 모여있는 것을 알 수 있다.
이는 포커스사이즈/스팟사이즈의 비가 0.5인 경우와 3.0을 초과하는 경우는 집합조직이 불연속적으로 성장하는 반면 포커스사이즈/스팟사이즈의 비가 2.0부근인 경우는 집합조직이 연속적으로 성장함을 의미한다.
이를 통해 포커스사이즈/스팟사이즈의 적정한 비는 1이상 3이하의 범위에 속함을 알 수 있다.
도 5는 조형광원의 포커스사이즈/스팟사이즈 비에 따른 입체 조형물의 미세조직적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면 포커스사이즈/스팟사이즈 비가 1.2 미만인 구간 및 포커스사이즈/스팟사이즈 비가 2.8 초과인 구간의 미세조직은 등축 수직상(Equiaxed Dendrite)을 이루는 반면, 포커스사이즈/스팟사이즈 비가 1.2 이상 2. 8 이하인 구간에서는 셀룰러(Cellular) 조직을 형성함을 알 수 있다.
이를 통해 포커스사이즈/스팟사이즈의 적정한 비는 1.2 이상 2.8이하의 범위에 속함을 알 수 있다.
이때, 상기 포커스사이즈는 10㎛ 내지 500㎛인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 포커스사이즈가 10㎛ 미만일 경우, 금속 레이어 층으로의 열전달이 과집중되어 온도구배 형성 효율이 떨어질 수 있다.
이때, 상기 포커스사이즈가 500㎛ 초과일 경우, 금속 레이어 층으로의 열전달이 충분히 이루어지지 않아 온도구배 형성 효율이 떨어질 수 있다.
이때, 레이어의 적층두께는 65㎛ 내지 85㎛인 것을 특징으로 한다.
이때, 조형광원의 속도는 500mm/s 내지 6000 mm/s 인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 조형광원을 조사하기 전 상기 금속 분말을 예열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 금속 분말을 예열하는 단계에 있어서, 상기 예열온도는 950℃ 내지 1050℃ 인 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 상기 (iii) 상기 용융된 금속 분말을 냉각 및 고화함으로써 하나의 레이어를 형성하는 단계(S300)는 서포트를 통해 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 (iii) 상기 용융된 금속 분말을 냉각 및 고화함으로써 하나의 레이어를 형성하는 단계(S300)는 별도의 냉각장치를 더 구비하여 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 (iv) 상기 레이어의 적층을 통해 입체 조형물이 완성될때까지 상기 (i) 내지 (iii)단계를 반복하여 적층하는 단계(S400)단계는 적층가공 시작 전 설정한 적층가공 공정변수에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 방향성응고조직 구현 적층공정을 수행할 경우, 균일한 방향성의 연속적인 미세조직을 갖는 입체 조형물을 제조할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 방향성응고조직 구현 적층공정 기술을 통해 제조된 입체 조형물을 설명한다.
예를 들어, 상기 입체 조형물은 단일원소 금속 또는 다원계 합금을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 단일원소 금속은 철(Fe), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 납(Pb), 주석(Zn), 베릴륨(Be), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 규소(Si), 나이오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 다원계 합금은 상기 단일원소 금속의 다원계 합금을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 입체 조형물은 전자, 항공, 자동차, 의료, 생체재료 또는 교육산업에 필요한 부품으로 이용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 방향성응고조직 구현 적층공정을 통해 제조된 입체 조형물은 균일한 방향성의 연속적인 미세조직을 가짐으로써, 우수한 기계적 강도를 구현할 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.

Claims (10)

  1. (i) 파우더베드 상에 금속 분말을 공급하는 단계;
    (ii) 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계;
    (iii) 상기 용융된 금속 분말을 냉각 및 고화함으로써 방향성응고조직을 갖는 하나의 레이어를 형성하는 단계; 및
    (iv) 상기 레이어의 적층을 통해 입체 조형물이 완성될때까지 상기 (i) 내지 (iii)단계를 반복하여 적층하는 단계를 포함하고,
    상기 금속 분말을 용융하는 단계에서 상기 조형광원의 포커스사이즈(Focus size)를 상기 조형광원의 스팟사이즈(spot size)보다 크게 하여 상기 용융된 금속 분말에 온도구배를 형성함으로써 방향성응고조직을 갖는 레이어를 형성하는 것을 특징으로 하고,
    상기 스팟사이즈 : 상기 포커스사이즈 = 1 : 1.2 내지 2.8인 것을 특징으로 하고,
    상기 포커스사이즈는 10㎛ 내지 500㎛인 것을 특징으로 하는 방향성응고조직 구현 적층공정 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조형광원의 속도는 500mm/s 내지 6000 mm/s 인 것을 특징으로 하는 방향성응고조직 구현 적층공정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (ii) 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계 전에 상기 (i) 파우더베드 상에 금속 분말을 공급하는 단계에서 공급된 상기 금속 분말을 예열하는 단계를 더 포함하는 방향성응고조직 구현 적층공정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 분말을 예열하는 단계에 있어서, 상기 예열온도는 950℃ 내지 1050℃ 인 것을 특징으로 하는 방향성응고조직 구현 적층공정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이어의 적층두께는 65㎛ 내지 85㎛인 것을 특징으로 하는 방향성응고조직 구현 적층공정 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 조형광원은 전자빔 또는 레이저인 것을 특징으로 하는 방향성응고조직 구현 적층공정 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분말은 단일원소 금속 또는 다원계 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 방향성응고조직 구현 적층공정 방법.
  10. 삭제
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