KR102075919B1 - Light-weight 3d pattern structure for bidner-jet 3d printing, the 3d patterned molds for casting process and the casting process using them - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바인더-제트 방식 3D프린팅용 3차원 경량화 패턴구조, 이를 이용한 주조 공정용 주형 및 주조 공정 방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 3D 프린팅용 3차원패턴 구조에 있어서, 복수의 빈 공간을 포함하도록 형성되는 제1적층면 및 제2적층면으로 구성되며, 상기 제2적층면은 상기 제1적층면의 하부에 배치되고, 상기 복수의 빈 공간은 각각 구형으로 이루어져, 상호 간에 밀집 구조를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조와 이를 이용한 주조 공정용 주형 및 주조 공정 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a three-dimensional lightweight pattern structure for binder-jet 3D printing, a mold for casting process using the same, and a casting process method.
More specifically, in the 3D pattern structure for 3D printing, it is composed of a first stacked surface and a second stacked surface formed to include a plurality of empty spaces, and the second stacked surface is a lower portion of the first stacked surface. The three-dimensional lightweight pattern structure for 3D printing, and a casting and casting process method using the binder-jet method 3D printing, characterized in that the plurality of empty spaces are respectively formed in a spherical shape and arranged to form a dense structure between each other. It is about.

Description

바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조, 이를 이용한 주조 공정용 주형 및 주조공정 {LIGHT-WEIGHT 3D PATTERN STRUCTURE FOR BIDNER-JET 3D PRINTING, THE 3D PATTERNED MOLDS FOR CASTING PROCESS AND THE CASTING PROCESS USING THEM}Binder-jet type 3D light weight pattern structure for 3D printing, mold and casting process for casting process using the same

본 발명은 주조공정을 위한 경량화된 주형의 제작을 위한 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 패턴구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구형의 빈 공간을 이용하여 구현한 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 3차원 경량화 패턴구조, 이를 이용한 주조 공정용 주형 및 주조 공정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pattern structure of ceramic and ceramic-polymer composites for the production of lightweight molds for the casting process, and more specifically, three-dimensional weight reduction of ceramic and ceramic-polymer composites realized using a spherical hollow space. It relates to a pattern structure, a mold for a casting process using the same, and a casting process method.

널리 쓰이는 금속 가공 공정 중 하나인 주조공정은 모래나 왁스소재의 주형을 필요로 하며, 주형은 보통 목형 제작부터 시작된다. 다만, 최근에는 3D 프린팅 기술, 특히 그 중에서도 주물사 바인더-제트(Binder-Jet)기술이 발달하면서 모래주형인 사형은 목형 없이 주조공정이 가능하게 되었다.The casting process, which is one of the most widely used metal processing processes, requires molds of sand or wax materials, and the molds usually start with woodworking. However, with the recent development of 3D printing technology, in particular, the binder-jet technology of the foundry, the sand mold, which is a sand mold, can be cast without a mold.

3D 프린팅은 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어 내는 적층 가공방식의 제조 기술을 의미한다. 3D 프린팅 기술의 보급은 기계 절삭 및 성형 등 기존의 생산방식을 탈피하여, 일괄된 방식으로 어떤 형태의 제품을 만들어 낼 수 있어 굉장한 사회적 영향력을 갖는다.3D printing refers to the manufacturing technology of additive manufacturing method that creates a 3D object by spraying a continuous layer of material. The prevalence of 3D printing technology has a great social impact because it can break away from the existing production methods such as machine cutting and forming, and produce products of any type in a batch method.

3D프린팅 기술은 공정의 목적에 따라서 3D프린터의 종류를 달리하며 공정을 진행하는 것이 중요할 수 있다. 이는 다양한 종류의 재료와 3D 프린터가 여러 가지 프로세스에 적용될 수 있으나, 그만큼 이후 가공 공정이 달라질 수 있기 때문이다.3D printing technology can be important to proceed with the process with different types of 3D printers depending on the purpose of the process. This is because various types of materials and 3D printers can be applied to various processes, but the subsequent processing process may vary.

그 중에서도 전술한 바인더-제트(Binder-Jet) 기술은 분말을 얇게 적층한 분말 베드에 액상의 접착제 혹은 결합제를 분사하는 방식에 해당한다. 상기 바인더-제트(Binder-Jet) 기술은 미술용, 건축용뿐만 아니라 금속 제조공정을 위한 사형(sand mold)등의 주형제작에 주로 이용되어 진다. 사형은 용융 금속을 부은 후 굳혀서 형체를 만드는 주조공정을 위한 형틀이며 필수품이다. Among them, the above-described binder-jet technology corresponds to a method of spraying a liquid adhesive or a binder on a powder bed in which powders are thinly laminated. The binder-jet technology is mainly used for mold production such as sand mold for metal manufacturing processes as well as for art and architecture. The sand mold is a mold and essential for the casting process to pour molten metal and harden it to form a mold.

특히, 상기 바인더-제트(Binder-Jet) 기술을 사용하면 기존 공법에서 반드시 필요한 목형 없이 사형 제작이 바로 가능하다는 큰 이점이 있음에도 불구하고, 사용되는 소재와 공정에 필요한 비용이 매우 고가이어서 기존의 목형을 이용한 사형제작법의 대체에 일정 수준 한계를 보이고 있다.In particular, despite the great advantage of using the binder-jet technology, it is possible to immediately make a sand mold without the wood mold necessary in the existing construction method, but the cost required for the material and process used is very expensive, so the existing wood mold There is a certain level of limitation in the substitution of the death penalty production method using.

이에 기존의 대한민국 선행특허 제10-1820943호(명칭: 3D프린터를 이용한 세라믹 몰드 또는 중장 및 슬러리 조성물의 제조방법)에는 이종의 고분자들을 사용하여 유효한 강도를 가진 세라믹 몰드 및 중자의 슬러리 조성물 공정 개발에 관한 기술이 개시되어 있다.Accordingly, in the existing Korean Patent No. 10-1820943 (name: Method for manufacturing a ceramic mold or heavy and slurry composition using a 3D printer), a heterogeneous polymer was used to develop a process for the ceramic mold and core slurry composition process. A related art is disclosed.

또한 기존의 대한민국 선행특허 제 10-0942924호(명칭: 사형 주조용 주형 제작 방법 및 장치)는 직접적 레이저 소결기법(Direct Laser Sintering)에 의한 사형 주조용 주형과 중자 제작에 관한 사형 주조용 주형 제작 방법 및 장치에 관한 기술을 개시하고 있다.In addition, the existing Korean Patent No. 10-0942924 (name: method and device for manufacturing a mold for sand casting) is a method for manufacturing a mold for sand casting by direct laser sintering technique and a mold for casting a core. And devices.

다만, 상기 기존 기술에 의하더라도 상기 바인더-제트(Binder-Jet) 기술에 있어 소재의 사용량 및 제조 공정 비용과 관련된 과제 해결 기술이 제시되지 않는다. 따라서 기존의 소재의 사용량을 줄이기 위한 세라믹 및 세라믹-폴리머의 경량화 기술과 이에 상응하여 구조물이 일정수준 안전적인 강도를 유지하기 위한 기술의 제시가 요구된다.However, even with the existing technology, a problem-solving technique related to the amount of material used and the manufacturing process cost in the binder-jet technology is not presented. Therefore, there is a need to present a technique for reducing the amount of existing materials to be used, and a technique for reducing the weight of ceramics and ceramic-polymers, and a technique for maintaining the structure with a certain level of strength.

대한민국 등록번호 제10-180943호Republic of Korea Registration No. 10-180943 대한민국 등록번호 제10-0942924호Republic of Korea Registration No. 10-0942924

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 경량 구조를 구현하고, 주조 공정시 일정 수준의 강도를 유지하기 위해 각 구형의 빈 공간들이 밀집 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 3D 프린팅 기술에 적합하도록 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 패턴구조를 제공하는 것이다.The object of the present invention for solving the above problems is to implement a lightweight structure of a ceramic and ceramic-polymer composite, and to maintain a certain level of strength during the casting process, each of the spherical empty spaces form a dense structure It is to provide a pattern structure of ceramic and ceramic-polymer composite to be suitable for the binder-jet 3D printing technology.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은 상기 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 패턴구조로 이루어진 주조 공정용 주형 및 이를 이용한 주조 공정 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention for solving the above problems is to provide a mold for a casting process consisting of a pattern structure of the ceramic and ceramic-polymer composite and a casting process method using the same.

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.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs from the following description. There will be.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 3D 프린팅용 3차원 패턴 구조에 있어서, 복수의 빈 공간을 포함하도록 형성되는 제1적층면 및 제2적층면으로 구성되며, 상기 제2적층면은 상기 제1적층면의 하부에 배치되고, 상기 복수의 빈 공간은 각각 구형으로 이루어져, 상호 간에 밀집 구조를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조를 제공한다.The configuration of the present invention for achieving the above object is in the three-dimensional pattern structure for 3D printing, consisting of a first laminated surface and a second laminated surface formed to include a plurality of empty spaces, the second laminated surface Provides a three-dimensional lightweight pattern structure for binder-jet 3D printing, characterized in that is disposed under the first laminated surface, and the plurality of empty spaces are each formed in a spherical shape to form a dense structure. .

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 빈 공간의 형태는 일부 변형된 3차원 타원형 구조체 또는 다각형 구조체로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the shape of the empty space may be characterized by being composed of a partially deformed three-dimensional elliptical structure or a polygonal structure.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1적층면은 육각형을 형성하도록 상기 육각형의 각 모서리에 배치되는 제1구형의 빈공간; 및 상기 육각형의 중심이 되는 지점에 배치되는 중심 구형의 빈 공간을 포함하며, 상기 제1구형의 빈 공간과 상기 중심 구형의 빈 공간으로 이루어진 육각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first laminated surface is a first spherical empty space disposed at each corner of the hexagon to form a hexagon; And a hollow space of a central sphere disposed at a point that becomes a center of the hexagon, wherein the hexagonal space of the first spherical hollow space and the hollow space of the central sphere is continuously connected and arranged. Can be.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2적층면은 상기 중심 구형의 빈 공간에 상응하는 지점을 중앙이 되는 삼각형을 형성하도록 상기 삼각형의 각 모서리에 배치되는 제2구형의 빈 공간을 포함하고, 상기 제2구형의 빈 공간으로 이루어진 삼각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the second stacked surface includes a second spherical empty space disposed at each corner of the triangle to form a triangle centering a point corresponding to the empty space of the central sphere, It may be characterized in that the triangle formed of the second spherical empty space is configured to be continuously connected and arranged.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1적층면과 상기 제2적층면이 교대로 연속해서 쌓아지도록 반복 배치되어 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first stacked surface and the second stacked surface may be characterized by being repeatedly arranged to be stacked alternately and continuously.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 빈 공간의 기체나 분말을 외부에 쉽게 배출할 수 있도록 상기 빈 공간을 연결하는 실린더를 더 포함하며, 상기 실린더의 단면은 원형으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the cylinder may further include a cylinder connecting the empty space so that the gas or powder in the empty space can be easily discharged to the outside, and the cross-section of the cylinder may be formed in a circular shape.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 실린더의 단면이 다각형의 형태로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, it may be characterized in that the cross section of the cylinder is made of a polygonal shape.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 실린더의 단면의 크기가 일정하지 않고 위치마다 변하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the size of the cross-section of the cylinder is not constant, and may be characterized by varying at each position.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 원통형 실린더는 반복하여 적층된 상기 제1적층면 혹은 제2 적층면에서 동일 선상에 대응되게 형성된 상기 구형의 빈 공간의 중심을 동일한 적층면에서만 연결하도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the cylindrical cylinder is formed so as to connect only the center of the empty space formed corresponding to the same line on the first stacked surface or the second stacked surface repeatedly stacked on the same stacked surface. Can be done with

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 원통형 실린더는 반복하여 적층된 상기 제1적층면 및 제 2적층면에 각각 형성된 상기 구형의 빈 공간의 중심을 서로 다른 적층면에서 서로 연결하도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the cylindrical cylinder may be formed to connect the centers of the empty spaces formed on the first and second stacked surfaces repeatedly stacked to each other on different stacked surfaces. Can be.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 패턴이 적용되기 전의 전체 고상 부피 대비 구형 및 실린더 구조를 가지는 빈 공간 패턴의 적용에 의하여 감소된 후의 실제 고상 부피의 비율인 구조밀도가 0.36이상에서 0.7이하로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the structure density, which is the ratio of the actual solid volume after being reduced by the application of an empty space pattern having a spherical and cylindrical structure to the total solid volume before the pattern is applied, is 0.36 or more and 0.7 or less. It can be characterized by.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구성은 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 구성되며, 상기 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체는 상기 전술한 바인더-제트 방식 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조 중 어느 하나의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 주조 공정용 주형을 제공한다.Another configuration of the present invention for achieving the above object is composed of a ceramic and ceramic-polymer composite, the ceramic and ceramic-polymer composite is any one of the three-dimensional lightweight pattern structure for the above-described binder-jet printing method It provides a mold for a casting process characterized in that the structure of the.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구성은 용융온도까지 금속을 가열하는 금속가열 단계; 상기 용융금속을 응고가 되기 전에 주조 공정용 주형에 주입하는 용탕주입 단계; 및 냉각 작용에 의해 상기 용융금속이 액체상태에서 다시 고체상태로 되돌아가는 금속응고 단계를 포함하며, 상기 주조 공정용 주형은 상기 주조 공정용 주형을 이용하는 것을 특징으로 하는 주조 공정 방법을 제공한다.Another configuration of the present invention for achieving the above object is a metal heating step of heating the metal to the melting temperature; A molten metal injection step of injecting the molten metal into a mold for a casting process before solidification; And a metal coagulation step in which the molten metal returns from the liquid state to the solid state by a cooling action, and the casting process mold provides a casting process method characterized by using the casting process casting mold.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 패턴 구조를 구형의 빈 공간의 밀집구조로 함으로써 주물사-바인더 혹은 왁스 등의 사용량을 줄이고 차별성 있는 경량 구조를 구현함에 있다.The effect of the present invention according to the above configuration is to reduce the amount of use of casting sand-binder or wax by implementing the pattern structure of the ceramic and ceramic-polymer composite as a dense structure of a spherical empty space, and to implement a differentiated lightweight structure.

상기와 같은 구성에 다른 본 발명의 또 다른 효과는 상기 경량화에도 불구하고 응력집중을 최소화 할 수 있는 구형의 빈 공간의 적층 패턴을 제공하여 주조 공정 시 일정 수준의 안전적인 강도를 유지함에 있다. Another effect of the present invention, which is different from the above configuration, is to maintain a certain level of safety strength during the casting process by providing a stacked pattern of spherical empty spaces capable of minimizing stress concentration despite the light weight.

상기와 같은 구성에 다른 본 발명의 효과는 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.It should be understood that the effects of the present invention different from the above-described configuration are not limited to the above-described effects, and include all effects deducible from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention. do.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바인더-제트 방식 3D 프린팅에 적합한 패턴구조의 제1적층면과 제2적층면의 모식도이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 바인더-제트 방식3D 프린팅에 적합한 패턴구조에 관한 모식도이다.
도3의 (a)는 실험대상으로서 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 Square Hole Array 구조이다.
도3의 (b)는 실험대상으로서 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 3D Mesh lattice 구조이다.
도4의 (a)는 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 Square Hole Array 구조를 갖는 구조물에 대하여 내부의 홀(hole) 크기의 변화에 따른 구조물의 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도4의 (b)는 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 3D Mesh lattice 구조를 갖는 구조물에 대하여 내부의 메쉬(mesh)의 두께의 변화에 따른 구조물의 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도5의 (a)는 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 3D Mesh lattice 구조에 대한 유한 요소법을 이용한 구조 시뮬레이션의 실험데이터이다.
도5의 (b)는 실제 실험결과로서 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 3D Mesh lattice 구조의 구조물이 파괴된 결과이다.
도6 는 3D Mesh lattice 구조를 갖는 구조물과 본 발명에 따른 구형의 빈 공간 적층구조(Void Cylinder Array)를 갖는 구조물에 대하여 구조 밀도에 따른 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도7은 본 발명의 일실시예에 따른 바인더-제트 방식 3D 프린팅에 적합한 패턴구조로 이루어진 주조 공정용 주형을 이용한 주조 공정 방법에 관한 흐름도이다.
1 is a schematic view of a first laminated surface and a second laminated surface of a pattern structure suitable for a binder-jet 3D printing according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a pattern structure suitable for 3D printing of a binder-jet method according to an embodiment of the present invention.
3 (a) is a square hole array structure which is a lightweight structure method of a conventional metal 3D printer as an experiment subject.
3 (b) is a 3D mesh lattice structure which is a lightweight structure method of an existing metal 3D printer as an experiment subject.
Figure 4 (a) is a graph showing a change in the compressive strength of the structure according to the change in the size of the hole (hole) inside the structure having a square hole array structure, a lightweight structure of the existing metal 3D printer.
FIG. 4 (b) is a graph showing a change in compressive strength of a structure according to a change in the thickness of an internal mesh for a structure having a 3D mesh lattice structure, which is a lightweight structure method of a conventional metal 3D printer.
5 (a) is experimental data of a structure simulation using a finite element method for a 3D mesh lattice structure which is a lightweight structure method of a conventional metal 3D printer.
Fig. 5 (b) shows the results of the destruction of the structure of the 3D mesh lattice structure, which is a lightweight structure method of the existing metal 3D printer, as a result of the actual experiment.
6 is a graph showing the compressive strength according to the structural density of a structure having a 3D mesh lattice structure and a spherical void stacked structure according to the present invention.
7 is a flowchart of a casting process method using a casting process mold made of a pattern structure suitable for a binder-jet 3D printing according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

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. Throughout the specification, when a part is "connected (connected, contacted, coupled)" with another part, it is not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. "It also includes the case where it is. Also, when a part “includes” a certain component, this means that other components may be further provided instead of excluding other components, unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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. The terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

금속을 녹여 액체로 만들어 이를 형에 부어 굳히는 가공 방법을 주조 공정이라고 한다. 가장 널리 쓰이는 금속 가공 공정 중 하나인 주조공정은 모래나 왁스소재의 주형을 필요로 하며 주형은 보통 목형 제작부터 시작된다.The process of melting a metal into a liquid and pouring it into a mold to harden it is called a casting process. The casting process, one of the most widely used metalworking processes, requires a mold of sand or wax material, which usually starts with the production of wood.

다만, 최근 3D 프린팅 기술 중 주물사 바인더-제트(Binder-Jet) 기술은 모래 주형인 사형을 목형 없이 제작할 수 있게 하였다. 그러나 상기 기술은 사용 소재 및 공정에 들어가는 비용이 매우 고가이며, 공정 과정에 많은 시간이 요구되어 기존의 목형법을 완전히 대체하는 것에 있어 한계를 보이고 있다.However, among the recent 3D printing technologies, the binder-jet technology of casting sands enables sand molds, which are sand molds, to be produced without a wooden mold. However, the above technique is very expensive to use materials and processes, and requires a lot of time in the process, thus showing limitations in completely replacing the existing woodblock method.

따라서 본 발명은 바인더-제트(Binder-Jet) 3D프리팅 시에 위해 고유의 패턴 구조를 형성하여 부피를 감소시킴으로써 모래나 왁스 등의 기존 소재의 사용량을 줄이기 위한 경량 구조 기술을 제안한다. 이를 통해 사용 소재량 및 공정 시간을 단축시켜 주형 제작에 있어서 3D 프린팅 공정의 확산을 도모하고자 한다.Therefore, the present invention proposes a lightweight structure technology for reducing the amount of use of existing materials such as sand or wax by reducing the volume by forming a unique pattern structure for binder-jet 3D printing. Through this, the amount of material used and the process time are shortened to promote the proliferation of the 3D printing process in mold production.

또한, 경량화를 위한 고유의 구조로써 성형체의 부피를 감소시키면서도, 운송과정 및 주조 공정 시, 경량화 패턴내의 의 특정 부위에 응력이 집중되는 것을 방지하여 일정 수준의 안전적인 강도를 유지하는 패턴 구조를 구현하고자 한다. In addition, as a unique structure for weight reduction, while reducing the volume of the molded body, it implements a pattern structure that maintains a certain level of safety strength by preventing stress from being concentrated on a specific part of the weight reduction pattern during transportation and casting. I want to.

3D 프린팅은 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어 내는 제조 기술이다. 3D 프린터는 밀링 또는 절삭이 아닌 기존의 잉크젯 프린터에서 쓰이는 것과 유사한 적층 방식으로 입체물을 제작하는 장치를 말하며, 컴퓨터로 제어되기 때문에 만들 수 있는 형태가 다양하고 다른 제조 기술에 비해 사용하기 쉽다.3D printing is a manufacturing technique that creates a 3D object by spraying a continuous layer of material. A 3D printer is a device that produces a three-dimensional object in a lamination method similar to that used in conventional inkjet printers rather than milling or cutting, and since it is controlled by a computer, it has a variety of forms and is easy to use compared to other manufacturing technologies.

3D 프린터는 목적에 따라서 후가공 과정이 달리질 수 있으므로, 그 종류를 달리하여 공정을 진행하는 것이 중요하다. 그 중에서 전술한 바인더 분사(Binder jetting)는 분말 베드에 접착제 혹은 결합제를 분사하는 방식으로, 열로써 고상 분말을 용융시키지 아니하고 접착제를 이용하여 분말을 접합시킨다.Since the post-processing process may vary depending on the purpose of the 3D printer, it is important to carry out the process with different types. Among them, the above-described binder jetting (Binder jetting) is a method of spraying an adhesive or a binder on a powder bed, and does not melt the solid powder by heat, but bonds the powder using an adhesive.

기존의 플라스틱 등에 대한3D 프린팅 기술은 DfAM(Design for Additive Manufacturing)을 통해 설계형상, 차원, 재료의 복잡성 등 기존의 설계와 제조 과정에서 마주치는 공정상의 제약들을 극복해 나간다. The existing 3D printing technology for plastics overcomes the process limitations encountered in the existing design and manufacturing process such as design shape, dimension, and material complexity through DfAM (Design for Additive Manufacturing).

실제로 국내외 많은 업체들은 플라스틱뿐만 아니라 금속, 탄소복합소재에 있어서, DfAM기술을 사용하여 복잡한 기능과 형상의 부품 모듈을 별도의 조립공정 없이 일체형으로 제작함은 물론, 내부구조가 복잡한 고강성, 저진동, 경량화 등의 효과를 도모하고 있다.In fact, many companies at home and abroad use DfAM technology for plastic and metal and carbon composite materials to manufacture component modules of complex functions and shapes in one piece without separate assembly, as well as high rigidity, low vibration, and complex internal structures. The effect of weight reduction etc. is aimed at.

이하 기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량 구조방식을 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 이루어진 구조물에 적용가능성을 검토하고, 주물사의 특성을 고려하여 본 발명에 따른 기존의 방식과 차별성 있는 경량 구조 방식을 설명한다.Hereinafter, the applicability of the lightweight structure method used in the existing metal 3D printer structure to the structure composed of the ceramic and ceramic-polymer composite is reviewed, and the lightweight structure method different from the existing method according to the present invention is considered in consideration of the characteristics of the foundry. Explain.

이를 위해 기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량 구조를 갖는 구조물과 원형의 빈 공간을 FCC, BCC, HCP의 원자 적층 형태로 적층한 구조를 갖는 구조물을 대상으로 강도 테스트 및 FEM 시뮬레이션을 실시하여 중량감소대비 강도값을 시험 비교하였다.To this end, strength tests and FEM simulations were performed on structures having a light-weight structure that was used in the existing metal 3D printer structures and structures with a stack of circular empty spaces in the form of atomic stacks of FCC, BCC, and HCP. The strength value compared to the reduction was tested and compared.

기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량 구조를 세라믹 및 세라믹 폴리머-복합체 구조에 적용한 실험 결과는 실험대상이 도시된 도3와 실혐결과 그래프가 도시된 도4을 통해 자세히 설명한다. The experimental results of applying the lightweight structure used for the existing metal 3D printer structure to the ceramic and ceramic polymer-composite structures will be described in detail through FIG. 3 showing the test subject and FIG. 4 showing the graph of the demonstration result.

도3는 시험 샘플 대상으로서 대상 (a)는 기존의 금속 3D 프린터 내부 구조물의 구조로서 정사방형으로 구멍이 배열된 Square Array Hole 구조의 타입1 를 도시하며, 대상 (b)는 상하부면이 메쉬의 격자(Lattice)를 이루고 있는3D mesh with pads 구조를 갖는 타입2을 도시한다.3 is a test sample object, object (a) is a structure of a conventional metal 3D printer, and shows a type 1 of a square array hole structure in which holes are arranged in a square, and object (b) is a mesh of upper and lower surfaces. It shows a type 2 with a 3D mesh with pads structure forming a grid.

도4은 상기 타입1과 타입2에 대한 강도 실험 결과로서, 그래프 (a)는 상기 타입1 구조 내부의 홀(hole)의 크기를 변화시면서 얻은 강도 데이터를 도시하고 있으며, 그래프 (b)는 상기 타입2 구조 내부의 메쉬(mesh)의 두께를 변화시키면서 얻은 강도데이터를 도시하고 있다.4 is a result of the strength test for the Type 1 and Type 2, the graph (a) shows the strength data obtained by changing the size of the hole (hole) inside the Type 1 structure, the graph (b) is The strength data obtained by changing the thickness of the mesh inside the type 2 structure is shown.

상기 그래프 (a)의 결과로 보아, 3D프린팅을 실시 경량화 구조를 만들기 위하여 홀(hole)의 크기를 크게 하는 경우 강도 값이 크게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 또한 상기 그래프 (b)의 결과로 보아 메쉬(mesh)의 두께가 얇아지게 되면 역시 구조물의 강도 값이 크게 저하되는 문제가 발생하는 것을 알 수 있다.As a result of the graph (a), it can be seen that when the size of the hole is increased in order to create a lightweight structure by performing 3D printing, the strength value is greatly reduced. In addition, as a result of the graph (b), it can be seen that when the thickness of the mesh becomes thin, there is a problem that the strength value of the structure is greatly reduced.

도5의 그림(a)는 구조 시뮬레이션의 결과로서 시간 당 변위 인가 후 샘플의 3D 및 2D 응력 분포결과를 도시하고 있다. 상기 구조 시뮬레이션의 목적은 유한요소법을 이용하여 샘플 주물사 시험편 내부의 응력집중을 분석하여 파단면을 예측하고, 실제 시험편의 파단을 통해 시뮬레이션과 실제 파괴를 비교해 보기 위함이다.Fig. 5 (a) shows the results of 3D and 2D stress distribution of the sample after the displacement per hour is applied as a result of the structural simulation. The purpose of the structure simulation is to predict the fracture surface by analyzing the stress concentration inside the sample casting sand test specimen using the finite element method, and to compare the simulation and the actual failure through the fracture of the actual test specimen.

상기 구조 시뮬레이션에 있어, 주물사 시험편의 구조는 상하부 벌크(bulk) 구조와 중심부의 격자(Lattice) 구조로 구성되어 있으며, 상부에 실제 압축 테스트와 같은 조건인 -0.0002m/s의 속도로 상부 벌크 패드(Top bulk pad)의 상부 표면에 변형을 가하였다. 하부(Bottom)는 바닥면에 수직하게 움직이지 못하도록 제한을 두고, 평평한 부분으로는 자유롭게 움직일 수 있도록 조건을 설정한다.In the above structure simulation, the structure of the casting sand test piece is composed of a bulk structure at the top and bottom and a lattice structure at the center, and an upper bulk pad at a rate of -0.0002m / s, which is the same condition as the actual compression test at the top. Deformation was applied to the top surface of the (Top bulk pad). The bottom is restricted so that it cannot move perpendicularly to the bottom surface, and conditions are set so that it can move freely on a flat part.

상기 시험은 일정한 하중이 아니라 시간당 변위를 주는 시뮬레이션으로서 Time dependent모드로 0.1초 동안 0.01초 간격으로 진행하였다. 시뮬레이션의 결과 격자(Lattice) 구조의 각 빔(Beam)의 외곽부에 인장응력(Tensile stress)에 0.4MPa 이상이 집중되는 것을 확인할 수 있다.The test was a simulation that gave displacement per hour rather than a constant load, and was conducted at 0.01 second intervals for 0.1 second in a time dependent mode. As a result of the simulation, it can be seen that 0.4 MPa or more is concentrated in the tensile stress at the outer portion of each beam of the lattice structure.

본 샘플과 같은 저강도 세라믹 복합체의 경우 압축강도보다는 인장 강도에 특히 약하기 때문에, 빔(Beam)의 외곽부에 인장응력(Tensile stress)이 취약하여 파괴가 먼저 진행될 것으로 판단된다. 도5의 그림(b)에 도시된 바와 같이 실제 실험 결과 역시 빔(Beam) 외곽부가 먼저 파괴와 진행되어 이와 일치함을 확인하였다.In the case of a low-strength ceramic composite such as this sample, since it is particularly weak in tensile strength rather than compressive strength, it is judged that the tensile stress is vulnerable to the outer portion of the beam, so that the fracture will proceed first. As shown in Fig. 5 (b), it was confirmed that the results of the actual experiment also coincided with the first destruction and progress of the beam.

따라서 기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량구조 방식을 이용할 경우, 구조물의 경량화 효과에도 불구하고 3D 사선 메쉬(Mesh) 구조에서 인장응력이 집중되서 쉽게 파괴되거나 강도가 급격히 저하되는 것을 확인할 수 있다.Therefore, when using the lightweight structure method used in the existing metal 3D printer structure, it can be seen that despite the lightening effect of the structure, the tensile stress is concentrated in the 3D diagonal mesh structure, so that it is easily destroyed or the strength is rapidly reduced.

따라서 주물사 3D 프린터에 경량 구조물을 적용하기 위해서는 주물사의 특성을 고려하여 기존의 방식과 차별성 있는 경량 구조 방식이 필요하며, 이에 따라 응력 집중을 최소화할 수 있는 구형의 빈 공간들을 이용한 새로운 적층 패턴 구조가 요구된다.Therefore, in order to apply a lightweight structure to a 3D printer, a lightweight construction method that differs from the existing method is required in consideration of the characteristics of the casting company. Accordingly, a new stacked pattern structure using spherical hollow spaces that can minimize stress concentration is required. Is required.

도1과 도2은 본 발명의 일실시예에 따른 구형의 빈 공간(void)를 이용하여 구형의 원자 적층 형태로 적층한 바인더-제트 방식 3D 프린팅에 적합한 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 패턴 구조를 도시한다.1 and 2 show a pattern structure of ceramic and ceramic-polymer composites suitable for binder-jet 3D printing in a spherical atomic lamination form using a spherical void according to an embodiment of the present invention. City.

본 발명은 금속 원자 격자구조를 응용하여, 구형의 빈 공간이 구형의 원자 격자구조와 같이 적층하여 밀집구조를 이루는 방식으로 구성된 새로운 경량 패턴 구조를 제안한다.The present invention proposes a new lightweight pattern structure configured by applying a metallic atomic lattice structure to form a dense structure by laminating spherical empty spaces together with a spherical atomic lattice structure.

본 발명의 구성은 복수의 빈 공간을 포함하도록 형성되는 제1적층면(100) 및 제2적층면(200)으로 구성되며, 상기 제2적층면(200)은 상기 제1적층면(100)의 하부에 배치되고, 상기 복수의 빈 공간은 각각 구형으로 이루어져, 상호 간에 밀집 구조를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조를 이룬다.The configuration of the present invention is composed of a first stacked surface 100 and a second stacked surface 200 formed to include a plurality of empty spaces, and the second stacked surface 200 is the first stacked surface 100 Arranged in the lower portion, the plurality of empty spaces are each formed in a spherical shape, forming a three-dimensional lightweight pattern structure for a binder-jet 3D printing, characterized in that arranged to form a dense structure with each other.

본 발명의 일실시예에 따라 상기 복수의 빈 공간의 형상은 구형뿐만 아니라, 적층 구조를 이루기에 적합하도록 일부 변형된 3차원 타원형 구조 또는 3차원 다각형 구조체로 이루어 지도록 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the shapes of the plurality of empty spaces may be formed of a 3D elliptical structure or a 3D polygonal structure partially modified to be suitable for forming a stacked structure as well as a spherical shape.

또한 본 발명의 일실시예에 따라 다른 새로운 경량구조물에 대하여 구형의 빈 공간과 빈 공간 사이에 존재할 수 있는 주물사를 제거하기 위해 실린더(300)를 제작하여 연결할 수 있다. 이하 상기 복수의 구형의 빈 공간의 적층 구조 및 상기 실린더(300)에 대하여 설명한다.Also, according to an embodiment of the present invention, a cylinder 300 may be manufactured and connected to other new lightweight structures to remove casting sand that may exist between the spherical empty space and the empty space. Hereinafter, a stack structure of the plurality of spherical empty spaces and the cylinder 300 will be described.

자연계에서 알려진 구형체의 효율적인 적층구조는 금속 구형 원자의 격자 구조이며 체심입방격자(Body Centerd Cubic lattice, 이하 'BCC'), 면심입방격자(Face Center Cubic lattice, 이하 'FCC') 및 조밀육방구조(Hexagonal Close Packed lattice, 이하 'HCP')가 대표적이다.The efficient stacking structure of spherical bodies known in nature is a lattice structure of metal spherical atoms, body centered cubic lattice (BCC), face centered cubic lattice (FCC) and dense hexagonal structure (Hexagonal Close Packed lattice, hereinafter 'HCP') is a representative.

체심입방격자(BCC) 구조는 입방체의 각 모서리마다 원자가 한 개씩 놓여 있고, 중심에 하나의 원자가 놓여져 있는 형태의 구조로서, 단위 격자 내에 2원자가 귀속된다. 면심입방격자(FCC) 구조는 각 모서리와 면심마다 하나씩의 원자가 놓여있는 형태의 구조로서, 단위 격자 내에 4개의 원자가 귀속된다.The body-centered cubic lattice (BCC) structure is a structure in which one atom is placed at each corner of the cube and one atom is placed at the center, and two atoms belong to the unit lattice. The face-centered cubic (FCC) structure is a structure in which one atom is placed at each corner and face, and four atoms belong to the unit lattice.

조밀육방(HCP) 구조는 상부와 하부의 기저면에 육각형 면 모서리와 중심에 원자 하나씩을 놓고 상하부 기저면 사이의 중간층 격자 내에 3개의 원자가 들어가 있는 형태로서, 단위 격자 내에 6개의 원자가 귀속된다. 원자의 형태를 일반적인 구형체로 가정할 때 각 구조의 충진 밀도(Atomic Packing density)는 HCP와 BCC가 0.74로 동일하고 BCC는 0.68로 다소 낮다.The dense hexagonal (HCP) structure is a type in which three atoms are placed in an intermediate layer lattice between the upper and lower base surfaces with one atom at the center and a hexagonal surface corner on the base surfaces of the upper and lower sides, and six atoms belong to the unit lattice. Assuming the shape of the atom as a general spherical body, the packing density (Atomic Packing density) of each structure is the same for HCP and BCC as 0.74, and the BCC is slightly lower at 0.68.

도6는 상기 구조 별 상기 구형의 빈 공간 크기와 상기 원통형 실린더(300)의 크기를 변경하여 밀도 별로 각각의 경량 구조 패턴의 압축 강도를 평가한 그래프를 도시한다. 상기 그래프는 구조밀도, 즉 전체 구조대비 빈 공간의 비율을 변수로 하여 각 구조 별로 압축 강도의 변화를 나타낸다.FIG. 6 shows a graph of evaluating compressive strength of each lightweight structural pattern for each density by changing the size of the spherical empty space for each structure and the size of the cylindrical cylinder 300. The graph shows the change in compressive strength for each structure using the structural density, that is, the ratio of the empty space to the overall structure as a variable.

도6에 도시된 바와 같이 기존의 금속의 경량 구조인3D 메쉬(Mesh) 구조의 구조물에 비해, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 구형의 빈 공간을 이용한 적층 구조(Void Cylinder Array)의 구조물이 상대적으로 높은 압축강도를 나타내는 것을 알 수 있다.As shown in Figure 6, compared to the structure of the existing metal lightweight structure 3D mesh (Mesh) structure, the structure of the laminated structure (Void Cylinder Array) using the hollow space according to an embodiment of the present invention It can be seen that it shows a relatively high compressive strength.

또한 상기 적층 구조 중에서도 상기 체심입방격자(BCC) 구조나 상기 면심입방격자(FCC) 구조에 비해, 상기 조밀육방(HCP) 구조가 상대적으로 높은 압축강도를 유지하는 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that among the stacked structures, the dense hexagonal (HCP) structure maintains relatively high compressive strength compared to the body-centered cubic (BCC) structure or the face-centered cubic (FCC) structure.

따라서 본 실험 그래프의 결과로서, 상기 조밀육방 (HCP) 구조가 다른 구형의 원자 적층 구조와 비교하여 구조물 내에서 구형의 빈 공간이 차지하는 비율에 비해 가장 우수한 압축 강도를 나타내므로 경량 구조물로의 적용에 가장 적합함을 알 수 있다.Therefore, as a result of this experimental graph, the dense hexagonal (HCP) structure shows the best compressive strength compared to the ratio of the empty space of the sphere in the structure compared to other spherical atomic stacked structures, so it is suitable for application to lightweight structures. You can see that it is most suitable.

이에 따라 본 발명의 일실시예는 상기 구형의 빈 공간은 상기 실험의 결과에 따라 도1 및 도2와 같이 조밀육방구조(HCP)로 적층해 나가는 것을 특징으로 할 수 있다. 보다 자세한 구형의 빈 공간의 적층 구조에 대해 이하 설명한다.Accordingly, an embodiment of the present invention may be characterized in that the empty spaces of the spherical shape are stacked in a dense hexagonal structure (HCP) as shown in FIGS. 1 and 2 according to the results of the experiment. The laminate structure of a more detailed spherical empty space will be described below.

도1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예는 상기 제1적층면(100)은 육각형의 모양을 형성하며, 상기 육각형의 각 모서리에 배열되는 제1구형의 빈 공간(110) 및 상기 육각형의 중심에 배열되는 중심 구형의 빈 공간(120)을 포함하며, 상기 제1구형의 빈 공간(110)과 상기 중심 구형의 빈 공간(120)으로 이루어진 육각형이 연속적으로 연결되도록 배치되어 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.As shown in FIG. 1, according to an embodiment of the present invention, the first stacked surface 100 forms a hexagonal shape, and a first spherical empty space 110 and the hexagonal shape arranged at each corner of the hexagonal shape It comprises a hollow space 120 of the central sphere arranged at the center of the, the first spherical hollow space 110 and the hexagon consisting of the hollow space 120 of the central sphere is arranged and configured to be continuously connected It can be characterized as.

또한 상기 제2적층면(200)은 상기 중심 구성의 빈 공간에 상응하는 지점을 중앙이 되도록 삼각형을 이루며 각각 상기 삼각형의 각 모서리에 배열되는 제2구형의 빈 공간(210)으로 구성되고, 상기 제2구형의 빈 공간(210)으로 이루어진 삼각형이 연속적으로 연결되도록 배열되어 구성되는 것을 특징으로 수 있다.In addition, the second laminated surface 200 is composed of a second spherical empty space 210 arranged in each corner of the triangle, forming a triangle so as to center the point corresponding to the empty space of the central configuration, the It may be characterized in that the triangle formed of the second spherical empty space 210 is arranged to be continuously connected.

그리고 도2에 도시된 바와 같이 상기 제1적층면(100)과 상기 제2적층면(200)이 교대로 연속해서 쌓아지도록 반복 배치되어 구성됨으로써 상기 구형의 빈 공간을 HCP구조와 같이 적층하는 것을 특징으로 할 수 있다.And as shown in Figure 2, the first stacked surface 100 and the second stacked surface 200 are alternately arranged so as to be stacked alternately and continuously, so that the spherical empty space is stacked like an HCP structure. It can be characterized as.

또한 전술한 바와 같이 상기 빈 공간의 기체나 분말을 외부에 쉽게 배출할 수 있도록 상기 빈 공간을 연결하는 실린더를 더 포함하며, 상기 실린더의 단면은 원형으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 필요에 따라 다른 적층면간에 실린더(300)를 연결할 수 있다.Also, as described above, the cylinder may further include a cylinder connecting the empty space so that the gas or powder in the empty space can be easily discharged to the outside, and the cross section of the cylinder may be formed in a circular shape. In addition, the cylinder 300 may be connected between different lamination surfaces as necessary.

상기 실린더(300)을 통해 주조 공정용 주형 제작 또는 이를 이용한 주조 공정 시, 상기 구형의 빈 공간에 남을 수 있는 기체나 분말들을 용이하게 배출할 수 있다.When the mold for the casting process is produced through the cylinder 300 or the casting process using the same, gases or powders that may remain in the empty space of the spherical shape can be easily discharged.

본 발명의 일실시예에 따라 상기 실린더(300)는 원통형으로 이루어지는 것뿐만 아니라, 상기 실린더(300)의 단면을 다각형의 형태로 이루어지도록 할 수 있다. 또한 상기 실린더(300)가 원뿔의 형상과 유사하게 상기 실린더(300)의 단면이 일정하게 유지되지 않고 위치마다 변하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cylinder 300 may be formed not only in a cylindrical shape, but also in a polygonal shape in cross section of the cylinder 300. In addition, similar to the shape of the cone, the cylinder 300 may be characterized in that the cross section of the cylinder 300 does not remain constant and varies from position to position.

전술한 도6의 주물사의 밀도에 따른 시험편의 압축강도 시험의 결과에 따라, 상기 본 발명의 일실시예에 따른 구형의 빈 공간들의 조밀육방(HCP) 패턴구조는 패턴이 적용되기 전의 전체 고상 부피 대비 구형 및 실린더 구조를 가지는 빈 공간 패턴의 적용에 의하여 감소된 후의 실제 고상 부피의 비율, 즉 구조밀도가 0.36이상 0.7이하에서 압축강도 데이터를 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 일실시예는 구조밀도가 0.36 이상 0.7인 것을 특징으로 할 수 있다.According to the result of the compression strength test of the test piece according to the density of the casting yarn of FIG. 6, the dense hexagonal (HCP) pattern structure of the hollow spaces according to the embodiment of the present invention is the total solid volume before the pattern is applied. It is possible to confirm the compressive strength data when the ratio of the actual solid volume after reduction by application of the empty space pattern having the contrast spherical and cylindrical structure, that is, the structural density is 0.36 or more and 0.7 or less. Therefore, an embodiment of the present invention may be characterized in that the structural density is 0.36 or more and 0.7.

또한 본 발명의 일실시예는 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 이뤄진 주조 공정용 주형으로서, 상기 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체는 상기 본 발명의 상기 구형의 빈 공간이 조밀육방(HCP) 구조로 적층된 패턴 구조로 이루어지는 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, an embodiment of the present invention is a mold for a casting process made of a ceramic and ceramic-polymer composite, wherein the ceramic and ceramic-polymer composite is a pattern in which the hollow spaces of the present invention are stacked in a compact hexagonal (HCP) structure. It may be characterized by consisting of a ceramic and a ceramic-polymer composite made of a structure.

또한 본 발명의 일실시예는 주조 공정 방법으로서 금속을 용융온도까지 가열하는 단계(S100); 상기 용융금속을 응고가 되기 전에 주조 공정용 주형에 주입하는 단계(S200) 및 냉각 작용에 의해 상기 용융금속이 액체 상태에서 다시 고체상태로 되돌아가는 단계(S300)를 포함하며, 상기 주조 공정용 주형은 본 발명의 일실시예에 따른 상기 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체가 상기 본 발명의 상기 구형의 빈 공간이 조밀육방(HCP) 구조로 적층된 패턴구조로 이루어진 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체를 갖는 주조 공정용 주형으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, an embodiment of the present invention is a step of heating the metal to the melting temperature as a casting process method (S100); And injecting the molten metal into a mold for a casting process before solidification (S200) and returning the molten metal from a liquid state to a solid state again by a cooling action (S300). The casting process of the ceramic and ceramic-polymer composite according to an embodiment of the present invention has a ceramic and ceramic-polymer composite made of a pattern structure in which the spherical empty space of the present invention is stacked in a dense hexagonal (HCP) structure. It can be characterized as being a dragon mold.

이 경우 상기 용탕의 주입 공정 단계(S200)에 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 경량화 패턴 구조로 형성된 주형이 활용되며, 이후 상기 금속 응고 공정(S300)까지 사형이 열적 및 기계적 안정성을 유지하여야 한다. In this case, a mold formed of a three-dimensional lightweight pattern structure according to an embodiment of the present invention is utilized in the step (S200) of injecting the molten metal, and then the sand mold must maintain thermal and mechanical stability until the metal solidification process (S300). do.

이에 따라 주물사 바인더-제트(Binder-Jet) 3D 프린팅 시에 구조물에 본 발명에 따른 새로운 적층 패턴 구조를 적용함으로써 구조물의 경량화를 도모하여 그 사용 소재량 및 공정시간을 단축시킴과 동시에 일정 수준의 안전적인 강도를 유지하도록 하여 주형 제작에 있어서 3D 프린팅을 활용한 공정이 확산될 것으로 기대된다.Accordingly, by applying the new layered pattern structure according to the present invention to the structure during the 3D printing of a binder-jet (Binder-Jet), the structure is made lighter in weight, reducing the amount of material used and the processing time, and at the same time a certain level of safety. It is expected that the process using 3D printing in the production of molds will be spread by maintaining the strength of the product.

또한 본 발명은 금속과 플라스틱 소재의 3D 프린팅을 위한 경량화 기법인 DfAM(Design for Additive Manufacturing)을 주형 제작을 위한 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 확장시킨다는 점에서 의의가 있다.In addition, the present invention is significant in that it extends DfAM (Design for Additive Manufacturing), a lightweighting technique for 3D printing of metal and plastic materials, to ceramic and ceramic-polymer composites for mold production.

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 실시 예들은 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. The above description of the present invention is for illustration only, and those skilled in the art to which the present invention pertains can understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

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. The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present invention.

100: 제1적층면
110: 제1구형의 빈 공간
120: 중심 구형의 빈 공간
200: 제2적층면
210: 제2구형의 빈 공간
300: 실린더
100: first laminated surface
110: empty space of the first spherical shape
120: empty space in the center sphere
200: second laminated surface
210: second spherical empty space
300: cylinder

Claims (13)

주조 공정용 주형을 형성하는 3D 프린팅용 3차원패턴 구조에 있어서,
복수의 빈 공간을 포함하도록 형성되기 위하여, 육각형을 형성하도록 상기 육각형의 각 모서리에 배치되는 제1구형의 빈공간, 및 상기 육각형의 중심이 되는 지점에 배치되는 중심 구형의 빈 공간을 포함하고, 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 형성되는 제1적층면;
복수의 빈 공간을 포함하도록 형성되기 위하여, 상기 중심 구형의 빈 공간에 상응하는 지점을 중앙이 되는 삼각형을 형성하도록 상기 삼각형의 각 모서리에 배치되는 제2구형의 빈 공간을 포함하고, 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 형성되는 제2적층면; 및
상기 제1구형의 빈공간, 상기 중심 구형의 빈 공간 및 상기 제2구형의 빈 공간 중 선택되는 하나 이상의 빈 공간과 연결되어, 주조 공정 시 연결된 빈 공간에 남은 기체나 분말을 외부로 배출시키는 실린더;를 포함하고,
상기 제2적층면은 상기 제1적층면의 하부에 배치되고,
상기 복수의 빈 공간은 각각 구형으로 이루어져, 상호 간에 밀집 구조를 이루도록 배치되어,
경량화를 위한 3차원패턴 구조 내 특정 부위에 응력이 집중되는 현상을 방지하여 경량화를 위한 3차원패턴 구조를 구현함에도 강도가 증대되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
In the three-dimensional pattern structure for 3D printing forming a mold for the casting process,
In order to be formed to include a plurality of empty spaces, a first spherical empty space disposed at each corner of the hexagon to form a hexagon, and a central spherical empty space disposed at a central point of the hexagon, A first laminated surface formed of a ceramic and ceramic-polymer composite;
In order to be formed to include a plurality of empty spaces, a second spherical empty space is disposed at each corner of the triangle to form a triangle that centers a point corresponding to the empty space of the central sphere, and includes ceramic and ceramic -A second laminated surface formed of a polymer composite; And
A cylinder that is connected to one or more empty spaces selected from the first spherical empty space, the central spherical empty space, and the second spherical empty space to discharge gas or powder remaining in the connected empty space during the casting process to the outside. ;
The second laminated surface is disposed below the first laminated surface,
The plurality of empty spaces are each formed in a spherical shape, and are arranged to form a dense structure with each other,
3D lightening pattern structure for binder-jet 3D printing, characterized in that the strength is increased even by implementing a 3D pattern structure for light weight by preventing a phenomenon that stress is concentrated on a specific area in the 3D pattern structure for light weight.
제1항에 있어서,
상기 빈 공간의 형태는 일부 변형된 3차원 타원형 구조체 또는 다각형 구조체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
According to claim 1,
The shape of the empty space is a three-dimensional lightweight pattern structure for binder-jet 3D printing, characterized in that it consists of a partially deformed three-dimensional elliptical structure or a polygonal structure.
제1항에 있어서,
상기 제1적층면은, 상기 제1구형의 빈 공간과 상기 중심 구형의 빈 공간으로 이루어진 육각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
According to claim 1,
The first stacked surface is a three-dimensional lightweight pattern structure for a binder-jet 3D printing, characterized in that the hexagonal space consisting of the first spherical empty space and the central spherical empty space is continuously connected and arranged.
제1항에 있어서,
상기 제2적층면은, 상기 중심 구형의 빈 공간에 상응하는 지점을 중앙이 되는 삼각형을 형성하도록 상기 삼각형의 각 모서리에 배치되는 제2구형의 빈 공간을 포함하고, 상기 제2구형의 빈 공간으로 이루어진 삼각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
According to claim 1,
The second stacked surface includes a second spherical empty space disposed at each corner of the triangle to form a triangle that centers a point corresponding to the empty space of the central spherical shape, and the empty space of the second spherical shape. A three-dimensional lightweight pattern structure for a binder-jet 3D printing, characterized in that the triangles made of are continuously connected and arranged.
제1항에 있어서,
상기 제1적층면과 상기 제2적층면이 교대로 연속해서 쌓아지도록 반복 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
According to claim 1,
A three-dimensional lightweight pattern structure for a binder-jet 3D printing, characterized in that the first laminated surface and the second laminated surface are alternately arranged to be stacked alternately and continuously.
제1항에 있어서,
상기 실린더의 단면은 원형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
According to claim 1,
The cross-section of the cylinder is a three-dimensional lightweight pattern structure for binder-jet 3D printing, characterized in that made of a circular shape.
제6항에 있어서,
상기 실린더의 단면이 다각형의 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
The method of claim 6,
A three-dimensional lightweight pattern structure for binder-jet 3D printing, characterized in that the cross section of the cylinder is formed in a polygonal shape.
제6항에 있어서,
상기 실린더의 단면의 크기가 일정하지 않고 위치마다 변하는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
The method of claim 6,
A three-dimensional lightweight pattern structure for binder-jet 3D printing, characterized in that the size of the cross section of the cylinder is not constant and varies at each position.
제6항에 있어서,
원통형 실린더는 반복하여 적층된 상기 제1적층면 혹은 제2 적층면에서 동일 선상에 대응되게 형성된 상기 구형의 빈 공간의 중심을 동일한 적층면에서만 연결하도록 형성된 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
The method of claim 6,
Cylindrical cylinder for binder-jet 3D printing, characterized in that the center of the spherical empty space formed corresponding to the same line on the first stacked surface or the second stacked surface repeatedly stacked is connected only on the same stacked surface. 3D lightweight pattern structure.
제6항에 있어서,
원통형 실린더는 반복하여 적층된 상기 제1적층면 및 제 2적층면에 각각 형성된 상기 구형의 빈 공간의 중심을 서로 다른 적층면에서 서로 연결하도록 형성된 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
The method of claim 6,
Cylindrical cylinder is a three-dimensional binder-jet method for 3D printing, characterized in that the centers of the empty spaces formed on the first and second stacked surfaces repeatedly stacked are connected to each other on different stacked surfaces. Lightweight pattern structure.
제1항에 있어서,
상기 패턴이 적용되기 전의 전체 고상 부피 대비 구형 및 실린더 구조를 가지는 빈 공간 패턴의 적용에 의하여 감소된 후의 실제 고상 부피의 비율인 구조밀도가 0.36이상에서 0.7이하로 하는 것을 특징으로 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
According to claim 1,
Binder-jet method 3D, characterized in that the structural density, which is the ratio of the actual solid volume after reduction by the application of an empty space pattern having a spherical and cylindrical structure to the total solid volume before the pattern is applied, is 0.36 or more and 0.7 or less. 3D lightweight pattern structure for printing.
세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 구성되며,
상기 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체는 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 바인더-제트 방식 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 주조 공정용 주형.
Composed of ceramic and ceramic-polymer composites,
The ceramic and ceramic-polymer composite is a casting process mold characterized in that it consists of a three-dimensional lightweight pattern structure for printing any one of claims 1 to 11 of the binder-jet method.
용융온도까지 금속을 가열하는 금속가열 단계;
상기 금속가열 단계에서 용융된 용융금속을 응고가 되기 전에 주조 공정용 주형에 주입하는 용탕주입 단계; 및
냉각 작용에 의해 상기 용융금속이 액체상태에서 다시 고체상태로 되돌아가는 금속응고 단계를 포함하며,
상기 주조 공정용 주형은 제12항의 주조 공정용 주형을 이용하는 것을 특징으로 하는 주조 공정 방법.
A metal heating step of heating the metal to a melting temperature;
A molten metal injection step of injecting the molten metal melted in the metal heating step into a mold for a casting process before solidification; And
And a metal coagulation step in which the molten metal returns from the liquid state to the solid state again by a cooling action.
The casting process method, characterized in that using the casting process mold of claim 12.
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