KR102128777B1 - 금속 미세조직 제어 적층성형 방법 - Google Patents

금속 미세조직 제어 적층성형 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 레이저의 조사 조건을 설정하여 금속의 미세조직이 등방성을 갖도록 하는 금속 미세조직 제어 적층성형 방법을 제공하여 미세조직이 제어된 금속 소재의 입체 조형물을 단일한 적층성형 공정을 통해 제조함으로써, 미세조직 제어를 위해 후가공 공정이 불필요하여 제조 비용 및 시간이 단축될 수 있고, 제품 요구특성에 맞는 물성을 가지는 금속 제품을 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

금속 미세조직 제어 적층성형 방법 {Laminated molding method for metallic materials with controlling the microstructure}
본 발명은 미세조직 제어가 가능한 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 적층성형 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린팅 기술을 이용하여 금속소재 제품을 제조하는 과정에서 조사되는 레이저의 스캔속도, 조사 점 거리 및 노출시간을 제어하여 금속소재의 미세조직을 제어함으로써 제품 요구특성에 부합하는 미세조직 형성이 가능한 금속소재의 적층성형 방법에 관한 것이다.
미세조직 제어기술은 금속소재 내에 결정립의 형상 및 방향성을 제어하는 기술을 의미한다. 종래 금속소재 제품을 제조하는데 있어서, 금속소재의 배향성 미세조직을 제어하여 소재 및 제품의 강도를 향상시키거나 내구성을 증가시킴으로써 제품의 기능성을 향상시켜 주는 방법으로 금속소재의 용해, 주조 후에 열간/냉간 소성가공 및 열처리 공정을 통해서 결정립의 형상 및 방향성의 제어가 가능하였다. 그러나 전체 제조공정단계에서 소성가공 및 열처리 공정 등의 후처리 공정의 도입으로 인해 전체 제작기간이 증가되며 이로 인한 시간적 Loss 및 공정 추가에 따른 제품의 단가 상승 등 경제적 Loss가 발생하는 문제점이 있다. 또한 후처리 공정 이후 용접 및 절단 등의 후가공 공정의 도입으로 인해 제품 내부에 미세조직의 변형이 발생하기 쉬우며 이로 인한 제품 성능 저하가 발생하는 문제점을 안고 있다.
한편, 기존의 금속소재 제품을 제조하는 방법으로는 금속 소재를 높은 온도로 가열하여 용융시켜 액체 상태의 금속을 금형에 주입하여 응고시키는 주조 방식이 주로 사용되었다. 최근에 복잡한 형상을 가지는 입체 조형물을 제조하는 방법으로 3D 프린팅 제조방식이 알려져 있다. 3D 프린팅을 이용하여 금속소재 제품을 제조하는 대표적인 방식으로 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Direct Energy Deposition) 방식이 알려져 있다. PBF 방식은 분말공급장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수십 μm의 금속분말층을 도포하고 조형광원으로 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후 한 층씩 용융시켜 금속분말을 서로 결합시켜 쌓아 올라가는 방식이다. DED 방식은 보호가스 분위기에서 금속분말을 실시간으로 공급, 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시 용융되어 금속분말을 용융 적층해 나가는 방식이다. PBF 방식이 비교적 정밀하고 형상자유도 구현에 유리하다는 장점이 있다. 3D 프린팅 방식은 여러 개선되어야 할 점들이 있지만, 기존의 금형을 이용하여 만들기 어려운 중공형 등의 복잡하고 정밀한 형상을 가지는 제품을 직접 제조할 수 있고, 스크랩의 소재 손실도 없으며 기계가공 등의 후공정을 대폭 생략할 수 있기 때문에, 환자맞춤형 인공관절 부품, 우주항공 부품 등을 포함하여 일반 산업용 부품 등 다양한 분야에 기술의 활용도가 점차 증가하고 있는 추세이다.
그럼에도 3D 프린팅을 이용하여 형성되는 금속소재의 미세조직에 대한 연구는 미흡한 실정이고 3D 프린팅의 공정변수에 따라 금속소재에 어떠한 미세조직이 형성되고 결정립의 형상 및 방향성에 영향을 미치는지 구체적으로 개시된 경우는 없다.
대한민국 공개특허 제 2015-0042632호(발명의 명칭: 3차원 프린팅 기술을 이용한 강판 제조 방법, 이하 종래기술 1이라 한다.) 에서는, 3D 프린팅 기술을 적용하여 국부 물성의 제어 및 소재 손실 최소화를 이룰 수 있는 금속 판재에 대한 제조 방법으로서, (a) 기존 판재 상/하부 임의의 위치에 강화 소재 및 기능성 소재를 도포하거나 용융 부착시켜 국부적인 소재 물성을 제어하는 단계; 및 (b) 부가 소재의 위치 제어를 통한 소재의 손실을 최소화하는 단계를 포함하는 금속 판재의 제조 방법이 개시되어 있다.
종래기술 1은 3D 프린팅을 이용하여 금속 판재의 물성을 제어하는 기술이 개시되어 있으나, 금속소재 자체의 미세조직 형성에 대해 구체적으로 개시되어 있지 않다는 제1 문제점, 부족한 물성 보완을 위해 압연 공정 등의 후가공 공정이 필요하여 시간적, 경제적 손실이 있다는 제2 문제점을 갖는다.
KR 2015-0042632 A
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 3D 프린팅 기술을 이용하여 금속소재 제품을 제조하는 과정에서 조사되는 레이저의 스캔속도, 조사 점 거리 및 노출시간을 제어하여 금속소재의 미세조직을 제어함으로써 제품 요구특성에 부합하는 미세조직 형성이 가능한 금속소재의 적층성형 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 시간적, 경제적 손실을 최소화 하면서 제품에 필요한 기계적 물성을 제공할 수 있는 금속소재의 적층성형 방법을 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 일 실시예는 금속 분말을 적층하는 단계; 상기 적층된 금속 분말에 조사할 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계; 상기 설정된 조건에 따라 레이저를 상기 적층된 금속 분말에 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계; 상기 용융된 금속 분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 금속 분말의 하나의 층을 형성하는 단계; 및 상기 금속의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 금속 분말을 적층하는 단계 내지 상기 금속 분말의 하나의 층을 형성하는 단계를 반복하여 실시하는 단계를 포함하고, 상기 레이저의 조사 조건을 설정하여 상기 금속의 미세조직이 등방성을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 금속 미세조직 제어 적층성형 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속은 순수 Ti 및 Ti계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계는 상기 레이저의 스캔속도, 조사 점 거리(point distance) 및 노출시간을 설정하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 조사 조건은 스캔속도는 100 내지 2000mm/s, 조사 점 거리(point distance)는 10 내지 100㎛ 및 노출시간은 10 내지 400㎲를 모두 만족하는 범위에서 설정되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계와 상기 금속 분말을 용융하는 단계 사이에 상기 적층된 금속 분말을 예열하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 예열하는 단계의 예열온도는 25 내지 200℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 분말을 적층하는 단계에서 상기 금속 분말의 평균 입자크기는 10 내지 100㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 분말의 하나의 층을 형성하는 단계에서 상기 층의 두께는 20 내지 100㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 미세조직 결정립의 크기는 2 내지 100㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속의 미세조직은 등방형 α 상일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 방법으로 제조된 금속 입체 조형물을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 금속 미세조직 제어 적층성형 방법을 제공하여 미세조직이 제어된 금속 소재의 입체 조형물을 단일한 적층성형 공정을 통해 제조함으로써, 미세조직 제어를 위해 후가공 공정이 불필요하여 제조 비용 및 시간이 단축될 수 있다.
또한 본 발명의 적층성형 방법을 이용하여 제품 요구특성에 맞는 물성을 가지는 금속 제품을 용이하게 제조할 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 실시예에 따른 적층성형 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스캔속도, 조사 점 거리 및 노출시간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조사 점 거리 및 노출시간의 관계에서 스캔속도의 최적 범위를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 미세조직(전자후방산란회절, EBSD)을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 기계적 물성을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 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.
이하, 금속 미세조직 제어 적층성형 방법에 대하여 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예는 금속 분말을 적층하는 단계(S100); 상기 적층된 금속 분말에 조사할 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계(S200); 상기 설정된 조건에 따라 레이저를 상기 적층된 금속 분말에 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계(S300); 상기 용융된 금속 분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 금속 분말의 하나의 층을 형성하는 단계(S400); 및 상기 금속의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 금속 분말을 적층하는 단계 내지 상기 금속 분말의 하나의 층을 형성하는 단계를 반복하여 실시하는 단계(S500)를 포함하고, 상기 레이저의 조사 조건을 설정하여 상기 금속의 미세조직이 등방성을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 금속 미세조직 제어 적층성형 방법을 제공한다.
3D 프린터를 이용하여 금속소재 입체 조형물을 제조하는 대표적인 방식으로 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Direct Energy Deposition) 방식이 있다. PBF 방식은 분말공급장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수십 μm의 금속분말층을 도포하고 조형광원으로 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후 한 층씩 용융시켜 금속분말을 서로 결합시켜 쌓아 올라가는 방식이다. 유사한 원리의 방식으로 SLM(Selective Laser Melting), SLS(Selective Laser Sintering) 등이 있다. DED 방식은 보호가스 분위기에서 금속분말을 실시간으로 공급, 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시 용융되어 금속분말을 용융 적층해 나가는 방식이다. 유사한 방식으로 DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 등이 있다. PBF 방식이 비교적 정밀하고 형상자유도 구현에 유리하다는 장점이 있다.
본 발명이 적용될 수 있는 3D 프린팅 방식은 PBF와 같은 파우더 베드에 조형광원을 조사하여 용융 및 적층하는 방식 또는 DED 와 같은 조형광원으로 재료를 직접 용융 및 적층하는 방식에 모두 가능하나 이에 한정되지 않고 다른 금속 3D 프린팅 방식이어도 가능하다. 다만 PBF 방식이 보다 바람직하다. 상기 조형광원으로는 레이저와 전자빔 모두 가능하지만, 레이저를 사용하는 SLM(Selective Laser Melting)이 보다 바람직하다.
상기 금속은 Al, Ti, Cu, Ni, Fe, Co, Cr, Si 로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 티타늄(Ti) 합금, 철(Fe) 합금, 인코넬(Inconel) 합금, 니켈-크롬(Ni-Cr) 합금 또는 코발트-크롬(Co-Cr) 합금도 선택될 수 있다.
보다 구체적으로 상기 금속은 순수 Ti 및 Ti계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.
또한, 상기 분말의 평균 입자크기는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 평균 입자크기가 너무 작은 경우, 금속분말의 유동성이 저하할 우려가 있고, 평균 입자크기가 너무 큰 경우, 금속분말의 용융이 불충분할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 금속 분말을 적층하는 단계에서 상기 금속 분말의 평균 입자크기는 10 내지 100㎛일 수 있다.
SLM방식의 경우에는 상기 금속 분말이 3D 프린터의 플랫폼에 도포되어 금속 분말층을 형성한다. 상기 분말층의 두께는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 상기 분말층의 두께가 너무 두꺼우면 표면과 내부간에 균일한 미세조직 형성이 어려울 수 있고, 두께가 너무 얇으면 잦은 적층으로 제조비용과 시간이 증가하게 된다. 보다 구체적으로 상기 금속 분말의 하나의 층을 형성하는 단계에서 상기 층의 두께는 20 내지 100㎛일 수 있고 이를 고려하여 상기 금속 분말을 적층하는 단계에서 적층 두께를 조절할 수 있다.
상기 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계는 상기 레이저의 스캔속도, 조사 점 거리(point distance) 및 노출시간을 설정하는 것일 수 있다. 제조하고자 하는 입체 조형물의 3D CAD 데이터를 참조하여 요구되는 기계적 물성에 맞추어 스캔속도, 조사 점 거리 및 노출시간을 설정하는 것이다. 스캔속도는 레이저가 금속 분말에 조사되는 속도로 초당 조사되는 길이로 나타낸다. 스캔속도가 느릴수록 금속 분말에 가해지는 에너지는 증가하게 된다.
3D 프린터에서 조형광원의 조사는 일정한 전압 하에서 이루어지고, 스캔속도에 따라 국소적으로 가해지는 에너지의 밀도가 변화하게 된다. 여기에 더하여서 동일한 스캔속도에서 조사 점 거리(point distance)를 다르게 하면 하나의 조사 점이 레이저에 노출되는 시간이 달라지고, 이에 따라 조사 점에 가해지는 에너지가 달라진다. 스캔속도가 느릴수록, 조사 점 거리가 짧을수록 하나의 조사 점에 가해지는 에너지는 고에너지가 되고, 이에 따라 금속분말이 순간적으로 용융되었다가 다시 급속으로 냉각, 고화되면서 미세조직의 구조, 크기, 방향성 등이 변하게 된다. 하나의 조사 점에 가해지는 에너지가 너무 낮으면 금속 분말의 용융열이 불충분하여 원하는 형상의 제품이 제작되지 않을 수 있고, 에너지가 너무 높으면 용융열의 집중으로 인하여 조사 점 이외의 주변에도 용융이 발생하기 때문에 원하는 형상의 제품이 제작되지 않을 수 있다.
따라서 보다 구체적으로 상기 스캔속도는 100 내지 2000mm/s 및 조사 점 거리(point distance)는 10 내지 100㎛의 범위에서 설정되는 것일 수 있다.
스캔속도와 조사 점 거리가 설정되면, 상기 노출시간은 하기 식 (1)에 의해 설정될 수 있다.
tET = sPD / νscan (1)
(상기 식 (1)에서 tET는 노출시간(㎲), sPD는 조사 점 거리(㎛), νscan은 스캔속도(mm/s)를 나타냄)
상기 레이저 조사 조건은 스캔속도는 100 내지 2000mm/s, 조사 점 거리(point distance)는 10 내지 100㎛ 및 노출시간은 10 내지 400㎲를 모두 만족하는 범위에서 설정되는 것일 수 있다.
레이저 조사에 의한 고에너지에 의해 금속 분말이 용융되고 바로 급속으로 냉각, 고화되면서 결정립이 성장하면서 미세조직을 형성하게 된다. 상기 설정된 레이저 조사 조건에 따라 상기 금속 분말에 가해지는 에너지의 양이 변화하면서 결정립의 형상과 방향성이 변화하게 된다. 보다 구체적으로 상기 금속 미세조직 결정립의 크기는 2 내지 100㎛일 수 있다.
상기 미세조직은 상기 레이저 조사에 의한 에너지에 따라 등축조직, 혼합조직, 층상조직 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 또한 상기 에너지는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 레이저의 조사에너지 수치가 낮은 경우에는 일정방향으로 결정립이 연신한 모양의 층상조직이 생성된다. 층상조직은 높은 전위 밀도를 갖게 하여 인장강도와 경도를 향상시킨다. 대신에 연신율은 감소하여 연성이 줄어들어 성형성은 떨어지게 된다. 에너지가 증가할수록 금속소재의 미세조직은 층상조직과 등축조직이 섞여 있는 혼합조직을 거쳐 등축조직으로 변화해가며, 결정립 성장에 따라 결정립의 크기도 증가하면서 결정입계의 감소로 인해 강도와 경도는 감소하지만 연성은 증가하게 된다. 결정립의 크기, 모양과 같은 형상뿐만 아니라 결정립의 방향성도 제어된다. 형성되는 미세조직에서 결정립이 특정 결정방위로 많이 형성되는 경우, 그로 인해 금속 조형품의 기계적 성질이 방향에 따라 달라지는 이방성을 가질 수 있다. 반면, 결정립의 결정방위가 랜덤하게 형성된다면 금속 조형품의 기계적 성질이 등방성을 가질 수 있다. 따라서 레이저 조사 조건을 제어함에 따라 미세조직을 조절하여 제조하고자 하는 입체 조형물에서 원하는 강도, 경도, 연성 등의 기계적 물성을 획득할 수 있게 된다.
본 발명에서 중요한 것은 미세조직이 등방성을 갖도록 하는 것으로, 이는 단순히 레이저 조사 점에 일정 수준 이상의 고에너지를 가하는 것 만으로는 달성하기 어려울 수 있다. 따라서 본 발명에서는 레이저 조사 조건을 설정함에 있어서 스캔속도, 조사 점 거리 및 노출시간을 설정하여 미세조직이 안정적으로 등방성을 가질 수 있도록 한다.
상기 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계와 상기 금속 분말을 용융하는 단계 사이에 상기 적층된 금속 분말을 예열하는 단계;를 더 포함할 수 있다. SLM방식의 경우 3D 프린터의 플랫폼에 도포되어 형성되는 금속 분말층을 미리 예열한다. 적층성형 전에 미리 분말층을 예열함으로써, 금속 분말의 용융, 응고로 인해 발생하는 금속소재 제품 내부의 잔류응력을 저하시키기 위함이다. 예열수단은 특별히 제한되지 않으며 레이저를 조사해서 예열하는 것도 가능하다.
또한, 상기 레이저 조사 조건을 설정함에 있어서 예열온도를 같이 설정하는 것도 가능하다. 제작하고자 하는 금속소재 입체 조형물의 요구되는 기계적 물성에 맞추어 예열온도도 설정할 수 있다. 예열온도의 범위는 공급되는 상기 금속의 종류에 따라 결정될 수 있다. 예열온도가 낮은 경우 3D 프린팅 공정에서 발생하는 잔류응력이 증가하고 이로 인하여 입체 조형물 내부에 균열이 발생할 수 있다. 예열온도가 높은 경우에는 상기 금속분말이 조사 전에 미리 용융, 고화할 우려가 있다. 보다 구체적으로 상기 예열하는 단계의 예열온도는 25 내지 200℃일 수 있다.
본 발명은 상기 금속의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 금속 분말을 적층하는 단계 내지 상기 금속 분말의 하나의 층을 형성하는 단계를 반복하여 실시하는 단계를 포함한다. 예를 들어 SLM 방식의 경우에는 3D 프린터의 플랫폼을 상기 생성된 하나의 층 두께만큼 하강시켜서 그 위에 다시 금속분말을 공급하여 분말층을 형성하여 상기 단계가 반복될 수 있게 한다. 이러한 단계를 거쳐 원하는 기계적 물성을 갖춘 금속 입체 조형물을 제조한다.
이하, 순수 티타늄 미세조직 제어 적층성형 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 다른 실시예는 순수 티타늄 분말을 적층하는 단계; 상기 적층된 순수 티타늄 분말에 조사할 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계; 상기 설정된 조건에 따라 레이저를 상기 적층된 순수 티타늄 분말에 선택적으로 조사하여 상기 순수 티타늄 분말을 용융하는 단계; 상기 용융된 순수 티타늄 분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 순수 티타늄 분말의 하나의 층을 형성하는 단계; 및 상기 순수 티타늄의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 순수 티타늄 분말을 적층하는 단계 내지 상기 순수 티타늄 분말의 하나의 층을 형성하는 단계를 반복하여 실시하는 단계를 포함하고, 상기 레이저의 조사 조건을 설정하여 상기 순수 티타늄의 미세조직이 등방성을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 순수 티타늄 미세조직 제어 적층성형 방법을 제공한다.
상기 순수 티타늄 분말을 적층하는 단계에서 상기 순수 티타늄 분말의 평균 입자크기는 10 내지 100㎛일 수 있다. 또한 상기 순수 티타늄 분말의 하나의 층을 형성하는 단계에서 상기 층의 두께는 20 내지 100㎛일 수 있고, 이를 고려하여 상기 순수 티타늄 분말을 적층하는 단계에서 적층하는 분말의 두께를 조절할 수 있다.
상기 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계는 상기 레이저의 스캔속도, 조사 점 거리(point distance) 및 노출시간을 설정하는 것일 수 있다. 제조하고자 하는 입체 조형물의 3D CAD 데이터를 참조하여 요구되는 기계적 물성에 맞추어 스캔속도, 조사 점 거리 및 노출시간을 설정하는 것이다. 스캔속도는 레이저가 금속 분말에 조사되는 속도로 초당 조사되는 길이로 나타낸다. 스캔속도가 느릴수록 금속 분말에 가해지는 에너지는 증가하게 된다.
도 2는 순수 티타늄에서 스캔속도, 조사 점 거리 및 노출시간의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참고하면, 상기 도 2의 그래프에서 빨간색에서 검은색까지 스캔속도에 따라 색의 변화를 표시하였으며, 그 색이 나타내는 스캔속도 값도 표시하였다. 도 2의 그래프에 표시되어 있는 점은 후술할 실시예에서 실시했던 스캔속도, 조사 점 거리 및 노출시간의 조건을 표시한 것이다. 도 3은 도 2에서 조사 점 거리 및 노출시간의 관계에서 스캔속도의 최적 범위를 나타낸 그래프이다. 본 발명은 순수 티타늄의 미세조직이 안정적으로 등방성을 갖는 영역에 주목하고 있고, 상기 도 3에서 노란선으로 둘러싸인 영역은 스캔속도, 조사 점 거리 및 노출시간의 레이저 조건이 순수 티타늄이 등방성 미세조직을 안정적으로 갖도록 하는 영역인 것이다. 구체적으로 상기 스캔속도는 250 내지 500mm/s 및 조사 점 거리(point distance)는 40 내지 100㎛의 범위에서 설정되는 것일 수 있다.
상기 스캔속도는 250 내지 500mm/s일 수 있다. 500mm/s 보다 높은 경우에는 조사시간이 짧아 조사되는 부분에 충분한 에너지 전달이 어려울 수 있고, 250mm/s 보다 낮은 경우에는 조사 부분 이외에 주변에도 용융이 발생할 수 있다. 또한 상기한 범위를 초과하는 범위에서는 순수 티타늄의 미세조직이 이방성을 갖게 되어 바람직하지 않다.
상기 조사 점 거리는 40 내지 100㎛일 수 있다. 100㎛보다 먼 경우 조사 점이 너무 멀게 형성되어 충분한 에너지 전달이 어려울 수 있고, 40㎛보다 가까운 경우 에너지가 집중되어 주변부 용융이 발생하고 잔류응력 제거가 어려울 수 있다. 또한 상기한 범위를 초과하는 범위에서는 순수 티타늄의 미세조직이 이방성을 갖게 되어 바람직하지 않다.
스캔속도와 조사 점 거리가 설정되면, 상기 노출시간은 하기 식 (1)에 의해 설정될 수 있다.
tET = sPD / νscan (1)
(상기 식 (1)에서 tET는 노출시간(㎲), sPD는 조사 점 거리(㎛), νscan은 스캔속도(mm/s)를 나타냄)
상기 레이저 조사 조건은 스캔속도는 250 내지 500mm/s, 조사 점 거리(point distance)는 40 내지 100㎛ 및 노출시간은 80 내지 400㎲를 모두 만족하는 범위에서 설정되는 것일 수 있다.
레이저 조사에 의한 고에너지에 의해 금속 분말이 용융되고 바로 급속으로 냉각, 고화되면서 결정립이 성장하면서 미세조직을 형성하게 된다. 상기 설정된 레이저 조사 조건에 따라 상기 순수 티타늄 분말에 가해지는 에너지의 양이 변화하면서 결정립의 형상과 방향성이 변화하게 된다. 보다 구체적으로 상기 순수 티타늄의 미세조직은 등방형 α 상일 수 있고, 상기 순수 티타늄 미세조직 결정립의 크기는 2 내지 100㎛일 수 있다.
본 발명에서는 순수 티타늄의 마르텐사이트 α' 상, 등방성 α 상, 위드만스타텐 α 상을 관찰할 수 있다.
통상적인 순수 티타늄의 상변화 곡선에서 마르텐사이트 α' 상은 β 상 영역에서 퀸칭되었을 때 생성되기 쉬우며 높은 경도를 갖는 것이 특징이다. 등방성 α 상은 700℃에서 어닐링 하여 생성할 수 있다. 위드만스타텐 α 상은 β 상 영역에서 공기 중 냉각하였을 때 관찰할 수 있다.
본 발명에서는 도 3에서 보는 것과 같이 스캔속도 500mm/s 초과 영역에서 위드만스타텐 α 상이 형성되고, 스캔속도 250mm/s 일부 영역에서 마르텐사이트 α' 상이 형성된다. 따라서 안정적으로 등방성 α 상을 형성하기 위해서는 상기한 스캔속도, 조사 점 거리 및 노출시간을 설정할 필요가 있는 것이다.
상기 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계와 상기 순수 티타늄 분말을 용융하는 단계 사이에 상기 적층된 순수 티타늄 분말을 예열하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
SLM방식의 경우 3D 프린터의 플랫폼에 도포되어 형성되는 금속 분말층을 미리 예열한다. 적층성형 전에 미리 분말층을 예열함으로써, 금속 분말의 용융, 응고로 인해 발생하는 금속소재 제품 내부의 잔류응력을 저하시키기 위함이다. 예열수단은 특별히 제한되지 않으며 레이저를 조사해서 예열하는 것도 가능하다.
또한, 상기 레이저 조사 조건을 설정함에 있어서 예열온도를 같이 설정하는 것도 가능하다. 제작하고자 하는 순수 티타늄 입체 조형물의 요구되는 기계적 물성에 맞추어 예열온도도 설정할 수 있다. 예열온도가 낮은 경우 3D 프린팅 공정에서 발생하는 잔류응력이 증가하고 이로 인하여 입체 조형물 내부에 균열이 발생할 수 있다. 예열온도가 높은 경우에는 상기 순수 티타늄 분말이 조사 전에 미리 용융, 고화할 우려가 있다. 보다 구체적으로 상기 예열하는 단계의 예열온도는 25 내지 200℃일 수 있다.
본 발명은 상기 순수 티타늄의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 순수 티타늄 분말을 적층하는 단계 내지 상기 순수 티타늄 분말의 하나의 층을 형성하는 단계를 반복하여 실시하는 단계를 포함한다. 예를 들어 SLM 방식의 경우에는 3D 프린터의 플랫폼을 상기 생성된 하나의 층 두께만큼 하강시켜서 그 위에 다시 순수 티타늄 분말을 공급하여 분말층을 형성하여 상기 단계가 반복될 수 있게 한다. 이러한 단계를 거쳐 원하는 기계적 물성을 갖춘 순수 티타늄 입체 조형물을 제조한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 상기 방법으로 제조된 금속 입체 조형물을 제공한다. 또한 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 방법으로 제조된 순수 티타늄 입체 조형물을 제공한다.
이하 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
<실시예 1>
레이저를 조형광원으로 하는 3D 프린터 장치의 플랫폼상에 평균 입경 40μm의 순수 티타늄 분말(ASTM Grade 2 규격)을 도포하여 100μm 두께의 분말층을 형성하였다. 상기 분말층을 100℃ 온도로 예열하였다. 상기 순수 티타늄 분말층에 레이저를 스캔속도 250mm/s, 조사 점 거리 10㎛ 의 조건에서 3차원 CAD데이터에 기초하여 조사하여 용융 후 냉각 및 고화시켜 하나의 순수 티타늄 층을 형성하였다.
그 후, 층의 두께만큼 플랫폼을 하강한 다음 순수 티타늄분말을 다시 공급하여 새롭게 분말층을 형성한 다음, 상기와 동일한 조건으로 예열한 다음에 레이저를 조사하여 용융 후 냉각 및 고화시켜 새로 순수 티타늄 층을 형성하였다.
상기 분말층을 형성하는 공정, 예열하는 공정, 레이저를 조사하여 용융시키는 공정, 상기 분말층을 냉각 및 고화시켜 층을 형성하는 공정을 반복 수행하여 순수 티타늄 입체 조형물을 제조하였다.
<실시예 2>
조사 점 거리가 40㎛인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 순수 티타늄 입체 조형물을 제조하였다.
<실시예 3>
조사 점 거리가 100㎛인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 순수 티타늄 입체 조형물을 제조하였다.
<실시예 4>
스캔속도가 500mm/s인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 순수 티타늄 입체 조형물을 제조하였다.
<실시예 5>
스캔속도가 500mm/s, 조사 점 거리가 40㎛인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 순수 티타늄 입체 조형물을 제조하였다.
<실시예 6>
스캔속도가 500mm/s, 조사 점 거리가 100㎛인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 순수 티타늄 입체 조형물을 제조하였다.
<실시예 7>
스캔속도가 1000mm/s인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 순수 티타늄 입체 조형물을 제조하였다.
<실시예 8>
스캔속도가 1000mm/s, 조사 점 거리가 40㎛인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 순수 티타늄 입체 조형물을 제조하였다.
<실시예 9>
스캔속도가 1000mm/s, 조사 점 거리가 100㎛인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 순수 티타늄 입체 조형물을 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 9에서 제조된 순수 티타늄 입체 조형물의 미세조직(전자후방산란회절, EBSD) 사진을 도 4에 나타내었다.
또한 상기 실시예 1 내지 9에서 제조된 순수 티타늄 입체 조형물의 비커스 경도를 측정하여 도 5에 나타내었다. 비커스 경도는 경도 시험 장치(모델명: HM-200; 제조사 Mitutoyo, 일본)를 이용하여 측정하였다.
상기 도 4 및 도 5를 종합하여 보면 실시예 1에서는 마르텐사이트 α' 상이 나타나고 비커스 경도도 가장 높게 측정되는 것을 알 수 있다. 실시예 2 내지 실시예 6에서는 등방성 α 상이 나타나고, 비커스 경도는 마르텐사이트 α' 상보다는 감소하며, 스캔속도가 빨라질수록 비커스 경도도 감소하는 경향성을 보여준다. 실시예 7 내지 실시예 9에서는 위드만스타텐 α 상이 나타나며 비커스 경도는 가장 낮게 측정되었다.
본 발명에 따라 스캔속도, 조사 점 거리 및 노출시간의 레이저 조사 조건을 설정하여 순수 티타늄의 등방성 미세조직을 안정적으로 형성하는 입체 조형물을 제조할 수 있다. 등방성 미세조직은 마르텐사이트 α' 상보다 경도는 다소 떨어지나, 어느 방향에서든 기계적 물성을 안정적으로 확보할 수 있어 3D 프린터를 이용한 입체 조형물 제조에 바람직하다.
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 (11)

  1. 금속 분말을 적층하는 단계;
    상기 적층된 금속 분말에 조사할 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계;
    상기 설정된 조건에 따라 레이저를 상기 적층된 금속 분말에 선택적으로 조사하여 상기 금속 분말을 용융하는 단계;
    상기 용융된 금속 분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 금속 분말의 하나의 층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 금속 분말을 적층하는 단계 내지 상기 금속 분말의 하나의 층을 형성하는 단계를 반복하여 실시하는 단계를 포함하고,
    상기 레이저의 조사 조건을 설정하여 상기 금속의 미세조직이 등방성을 갖도록 하는 것을 특징으로 하고,
    상기 금속은 순수 Ti 및 Ti계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하고,
    상기 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계는 상기 레이저의 스캔속도, 조사 점 거리(point distance) 및 노출시간을 설정하는 것을 특징으로 하고,
    상기 레이저 조사 조건은 스캔속도는 100 내지 2000mm/s, 조사 점 거리(point distance)는 10 내지 100㎛ 및 노출시간은 10 내지 400㎲를 모두 만족하는 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 금속 미세조직 제어 적층성형 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 조사 조건에서, 상기 노출시간은 하기 식 1에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 금속 미세조직 제어 적층성형 방법.
    [식 1]
    tET = sPD / νscan
    (상기 식 1에서 tET는 노출시간(㎲), sPD는 조사 점 거리(㎛), νscan은 스캔속도(mm/s)를 나타냄)
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저의 조사 조건을 설정하는 단계와 상기 금속 분말을 용융하는 단계 사이에 상기 적층된 금속 분말을 예열하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 미세조직 제어 적층성형 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 예열하는 단계의 예열온도는 25 내지 200℃인 것을 특징으로 하는 금속 미세조직 제어 적층성형 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분말을 적층하는 단계에서 상기 금속 분말의 평균 입자크기는 10 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 금속 미세조직 제어 적층성형 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분말의 하나의 층을 형성하는 단계에서 상기 층의 두께는 20 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 금속 미세조직 제어 적층성형 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 미세조직 결정립의 크기는 2 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 금속 미세조직 제어 적층성형 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속의 미세조직은 등방형 α 상인 것을 특징으로 하는 금속 미세조직 제어 적층성형 방법.
  11. 삭제
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