KR102131464B1 - 티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

적절하게 형성된 서포트 부재 위에 티타늄 입자들을 저온-가스에 의해 동적으로 분무하는 것을 포함하는 티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법, 및 그에 의해 제조된 티타늄 하중 지지 구조물이 개시된다.

Description

티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법{A PROCESS FOR PRODUCING A TITANIUM LOAD-BEARING STRUCTURE}
본 발명은 티타늄과 티타늄 합금으로부터의 구조물의 제조에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따라 제조된 구조물에 관한 것이다.
티타늄과 티타늄 합금은 높은 중량-대-강도 비율, 높은 강성 및 우수한 내식성을 가진다. 이러한 이유로서, 자전거 프레임들과 같은 하중 지지(load-bearing) 구조물을 제조하기 위하여 그러한 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 자전거 프레임과 같은 현재의 티타늄/티타늄 합금 하중 지지 구조물을 제조하기 위한 방법은 통상적으로 개별적인 관형 프레임 부품들을 제조하고(소정의 부품 프로파일을 제조하기 위하여 진공 주조와 변형 공정에 의해), 이어서 여러 부품들을 조립 및 용접함으로써 프레임을 제조한다. 티타늄/티타늄 합금들은 높은 산소 친화도, 용접과 같은 고온 처리가 보호(환원) 분위기에서 진행되어야 한다. 결국, 이러한 종래의 방안은 시간-소비적이고, 에너지 및 노동 집약적이며, 따라서 고가이다. 따라서 티타늄/티타늄 합금의 사용은 항공, 바이오 의료 및 최종 스포츠 제품과 같은 다소 고가의 물품들에 한정되었다. 종래의 제조 방법들에 연관된 제한들은 티타늄과 티타늄 합금의 더욱 광범위한 사용을 저해한다.
이러한 배경 기술에 대해 이들 문제점들이 없는 티타늄/티타늄 합금 하중 지지 구조물의 제조방법을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
따라서, 본 발명은 적절하게 형성된 서포트 부재 위에 티타늄 입자들을 저온-가스에 의해 역동적으로 분무하는 것을 포함하는, 티타늄 하중 지지 구조물의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한 본 발명에 따라 제조된 티타늄 하중 지지 구조물을 제공한다. 본 명세서에서, 달리 표시되지 않으면, '티타늄(titanium)'이라는 용어는 그대로의 티타늄 및 티타늄 합금을 표시하기 위하여 사용된다. 이와 같이, 본 발명의 방법은 티타늄 하중 지지 구조물을 제조하기 위하여 그리고 티타늄 하중 지지 구조물에 적용될 수 있다.
이하의 본 명세서와 특허청구범위를 일관해서, 문맥이 달리 요구하지 않으면, 단어 "포함하다(comprise)"와, "포함하다(comprises)" 및 "포함하는(compris ing)"과 같은 변형은 기재된 완전체(integer) 또는 단계(step) 또는 완전체 그룹 또는 단계들을 포함하는 것을 의미하나 어떤 다른 완전체 또는 단계 또는 완전체 그룹 또는 단계들을 배제하지는 않는 것을 의미하는 것으로 이해될 것이다.
어떤 종래의 간행물(또는 그로부터 도출된 정보), 또는 알려진 어떤 사실을 본 명세서에서 참조하는 것은, 그러한 종래의 간행물(또는 그로부터 도출된 정보) 또는 공지 사실들이 본 명세서가 관련되는 관심 분야의 공통의 일반 지식의 일부를 형성한다는 소정의 제언 또는 확인 또는 허락이 아니며, 그와 같이 취급되어서는 아니된다.
(기재 없음)
본 발명의 실시예들은 비제한적인 도면을 참조하여 도시되며, 여기서:
도 1은 자전거 프레임 스캐폴드에 티타늄을 증착하기 위한 저온 분무 시스템을 도시하는 개략적인 도면이며;
도 2는 알루미늄 서포트 부재(에칭된) 위에 저온 분무된 티타늄의 현미경 사진이며; 및
도 3은 티타늄과 알루미늄 사이의 계면의 주사 전자 현미경 사진이다.
본 발명에 따른 저온 분무(cold spray)의 사용에 의해 고체 상태로 매우 높은 속도에서 적절한 서포트 부재(또한 여기서 "스캐폴드(scaffold)"로 불림) 위에 티타늄 입자가 증착될 수 있다. 바람직하게, 이는 그렇지 않으면 필요하였을 수 있는 티타늄의 용융, 압연 및 용접과 같은 많은 중간의 고온 제조 공정들을 제거한다. 그러한 단계들은 통상적으로 티타늄 산화를 방지하기 위하여 제어된 분위기를 필요로 한다. 그러한 공정 단계들의 제거는 또한 에너지 소비 및 탄소 방출의 면에서 유익할 수 있다.
본 발명에 따른 저온 분무의 사용에 의해 재료 투입이 감소되고, 몰드 및 용융 비용의 제거 및/또는 티타늄 제품의 재가공 및 마무리(finishing)의 감소를 또한 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 저온 분무의 사용에 의해 제조 비용을 감소시키고 대응하는 상업적 이익과 함께 제조 효율 및 속도를 향상시킬 수 있다.
저온-가스의 동적인 분무(저온 분무)는 표면들에 코팅을 실행하기 위하여 사용되는 공지의 공정이다. 일반적인 용어들에서, 공정은 고압 가스 흐름 류에 입자(금속 및/또는 비금속)들을 공급하는 것을 포함하며 이어서 이러한 흐름 류는 가스 흐름을 초음파 속도(정상적으로 1000m/s 이상)로 가속되게 하는 수렴/발산 노즐을 통과하고, 또는 노즐 목 이후에 초음파 가스 흐름으로 입자를 공급한다. 이어서 입자들은 증착될 표면으로 향해진다.
공정은 증착될 입자들과 기판의 용융점 아래 비교적 낮은 온도에서 실행되며, 기판 표면에 입자가 충돌한 결과 코팅이 형성된다. 공정이 비교적 낮은 온도에서 진행되는 사실에 의해 코팅될 표면에 열역학적이고, 열적이며 및/또는 화학적인 효과가 발생되며 입자들이 코팅을 감소시키거나 회피하게 한다. 입자들의 본래 구조와 특성들은 플라즈마, HVOF, 아크, 가스-화염 분무 또는 다른 열 분무 공정들과 같은 고온 코팅 공정들과 그렇지 않으면 결합될 수 있는 상 변태 등이 없이 유지될 수 있음을 이는 의미한다. 예컨대, 미국 특허 5,302,414호에는 저온 분무의 배경 원리, 장치 및 방법론이 설명된다.
본 발명의 취지에서 저온 분무를 사용하면, 티타늄 하중 지지 구조물의 제조를 크게 단순화할 수 있으며, 더욱 경제적으로 할 수 있다. 본 발명의 공정에서, 형상화된 서포트 부재 위에 티타늄 층을 침착시키고 구축하기 위하여 저온-가스에 의한 동적인 분무가 사용된다.
이러한 방안들에 의해 최종 구조물을 제조하기 위하여 개별 성분들을 제조하고 결합할 필요가 회피된다. 특히, 본 발명에 따라, 저온 분무에 의하여 티타늄 부품들을 같이 용접할 필요가 없다. 본 발명의 공정은 그렇지 않으면(즉, 종래와 같이) 개별적인 구조물 부품들을 같이 용접함으로써 제조될 수 있는 하중 지지 구조물을 제조하기 위한 공정으로서 간주될 수 있다. 달리 말하면, 본 발명에 따라 생성된 하중 지지 구조물은 여러 부품들을 함께 제조 및 결합하여 조립되는 것에 대해 일체 구조로 형성된다.
본 발명의 공정은 하중 지지 구조물을 제조하기 위하여 사용되고 그리고 이로써 위에 설명된 바와 같은 티타늄의 소정의 재료 특성을 이용하기 위하여 모색된다. 용어 '하중 지지 구조물'은 기능이 하중을 견디는 것인 구조물을 표시하기 위하여 사용된다. 하중 지지 구조물은 다른 부품들이 위에 고정되는 기본 구조물인 프레임의 형태를 가질 수 있다. 예로서, 프레임은 항공 또는 항해 용기 또는 자동차용일 수 있거나, 또는 자전거, 모터사이클, 모터 스쿠터, 휠체어, 행글라이더 또는 수하물용일 수 있다. 본 발명은 자전거 및 모터사이클 프레임들을 제조하기에 특히 매우 적합할 것으로 믿어진다.
하중 지지 구조물은 구조물 자체의 (티타늄) 표면이 하중 지지 기능성을 제공하는 모노코크(monocoque) 디자인일 수 있다. 예로서, 이 경우, 하중 지지 구조물은 모터사이클 또는 모터 스쿠터 접합일 수 있다.
하중 지지 구조물은 최종 제품 또는 최종 제품의 부품일 수 있다. 예컨대, 자전거의 경우, 본 발명은 주 프레임을 제조하기 위하여 적용될 수 있다. 하중 지지 구조물은 또한, 예컨대, 빌딩 건축에 사용되는 평평하거나 형상화된 구조물일 수 있다.
본 발명의 과정에서, 저온 분무가 서포트 부재의 표면에 티타늄 층을 구성하고 형성하기 위하여 사용된다. 서포트 부재의 형상과 구조는 제조될 하중 지지 구조물의 의도된 형상을 반영할 것이다. 이러한 측면에서, 서포트 부재는 뼈대(scaffold) 또는 골격(skeleton)으로 생각될 수 있다.
서포트 부재에 사용되는 재료는 티타늄이 재료 위에 저온 분무될 때 변형되지 않는 재료이어야 한다. 결국, 서포트 부재는 티타늄이 증착되는 기초를 제공하며 그의 변형은 제조될 구조물의 제조 공차의 결함 및/또는 이탈을 초래할 수 있다. 서포트 부재가 자체적으로 제조될 수 있는 비용 및/또는 용이성은 서포트 부재용 재료의 선택에 영향을 미칠 수 있다. 서포트 부재는 같이 결합되는 개별 부품들로 제조될 수 있거나 또는 예컨대 몰드 구조물과 같은 일체 구조물일 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 저온 분무가 종료되고 충분한 두께의 티타늄이 그 위에 증착된 후에(하중 지지 구조물의 의도된 사용을 기초로), 서포트 부재는 독립 티타늄 하중 지지 구조물을 제조하기 위하여 제거된다.
서포트 부재의 제거는 가능한 구조물의 중량을 낮게 유지하는 것이 요구될 때 중요할 수 있다. 그에 대한 접근 및 디자인의 복잡성에 따라, 서포트 부재는 다양한 방법으로 제거될 수 있다.
예컨대, 서포트 부재는 기계적인 수단에 의해 제거될 수 있다. 이는 서포트 부재를 파괴하거나 가공하여 제거하는 것을 포함할 수 있다. 서포트 부재를 파괴하는 경우, 서포트 부재의 표면에서 하중 지지 구조물을 형성할 수 있도록 적절하게 강성이며 내온성인 소재로 서포트 부재는 형성될 수 있으나, 서포트 부재의 분리가 필요할 때, 서포트 부재가 파괴되어 제거될 수 있도록 적절하게 부서지기 쉬운 ㄱ것이 필요하다.
티타늄과 서포트 부재의 분리는 또한 티타늄과 서포트 부재 사이의 열팽창 계수의 차이에 따라 달성될 수 있다. 이 경우, 서포트 부재로부터 구조물의 분리는 티타늄 구조물과 서포트 부재의 가열 또는 냉각에 의하여 달성될 수 있다.
이러한 실시예에서, 저온 분무에 의하여 형성된 티타늄 구조물의 두께는 서포트 부재가 제거된 영역들에서의 구조적 조건들을 충족하기에 충분하여야 한다. 따라서, 티타늄의 두께는 용도에 따라 결정될 것이다. 예로서, 자전거 프레임에 대해, 티타늄 두께는 1-5mm 범위일 수 있다.
추가적인 대체예에서, 서포트 부재는 용해되거나 또는 용융되어 제거될 수 있다. 예컨대, 서포트 재료가 알루미늄이면, 수산화나트륨에서의 용융에 의해 제거될 수 있다. 물론, 서포트 부재를 제거하기 위하여 사용된 방안에 관계없이, 이것이 생성된 티타늄 구조물에 부정적인 영향을 미쳐서는 안된다.
대체적인 실시예에서, 서포트 부재는 저온 분무가 종료된 후에 제거되지 않는다. 이 경우, 서포트 부재는 생성된 하중 지지 구조물에 바람직한 특성을 제공할 수 있으며, 이 경우, 하중 지지 구조물/서포트 부재는 복합(또는 하이브리드) 구조물로서 간주되어야 한다.
이러한 실시예의 약간의 변형에서, 생성된 구조물 내의 특정 위치들에서 서포트 부재를 유지하는 것이 요구될 수 있으며 다른 위치들에서 서포트 부재를 제거하는 것이 요구될 수 있다. 예컨대, 사용시 높은 하중을 견디는 구조물의 영역들에서 서포트 부재를 유지하고 하중이 더 낮은 영역들에서 서포트 부재를 제거하는 것이 요구될 수 있다. 이와 같이, 중량을 감소시키면서, 하중 지지 구조물의 특성을 더욱 추가로 구성할 수 있다.
이 실시예는 또한 추가적인 디자인의 가능성을 제기한다. 예컨대, 서포트 부재의 재료는 하중 지지 구조물에 서포트 부재가 제공할 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 추가적으로, 또는 대체적으로, 서포트 부재의 영역들은 생성될 하중 지지 구조물에서 그 영역들이 점유할 위치에 기초해서 두께 및/또는 디자인이 변할 수 있다. 추가적으로, 또는 대체적으로, 서포트 부재의 영역들은 생성될 하중 지지 구조물에서 점유할 영역들의 위치에 기초해서 다른 재료로 제조될 수 있다. 이로부터, 본 발명은 중요한 디자인 및 생산의 가요성을 제공하는 것이 이해될 것이다. 특히, 티타늄 구조물의 보다 복잡한 형상들이 현재의 기술에 의해 제조될 수 있다.
입자들로 코팅될 서포트 부재의 표면은 제조된 구조물의 대응하는 표면의 특성에 영향을 미친다. 바람직하게, 코팅될 서포트 부재의 표면은 부드럽고 결함이ㅇ없다.
본 발명의 또 다른 가능한 이점은 저온 분무에 의해 도포되는 조성물이 저온 분무가 진행됨에 따라 변하는 점이며, 이로써 제품 특성 면에서 가요성을 제공할 수 있다. 예컨대, 생성될 구조물의 위치에 따른 하중 지지 요건을 충족하기 위하여 사용되는 티타늄의 등급을 변화시키는 것이 바람직할 수 있다. 덜 하중-민감적인 영역들은 더 낮은 품질(또는 더 낮은 등급)로, 따라서 더 저렴한 재료로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 증착된 티타늄의 두께는 생성되는 구조물의 위치에 따른 요건들을 충족하기 위하여 변경될 수 있다. 예컨대, 높은 하중을 부담할 것으로 예상되는 영역들은 더 작은 하중을 부담할 것으로 생각되는 영역보다 더욱 두껍도록 제조될 수 있다. 물론, 구조물이 복수의 재료들을 사용하여 제조되면, 다른 재료들의 융합성이 고려되어야 한다. 제안된 둘 이상의 재료들은 일부에서 융합하지 않으면(예컨대, 응집/접합), 융합하지 않는 재료들을 서로 융합하는 재료들의 하나 이상의 영역들에 의해 분리시키는 것이 필요할 수 있다.
증착될 티타늄에 관련되는 이들 실시예들은 서포트 부재가 저온 분무 후에 제거되는 여부에 상관없이 적용가능할 수 있다.
저온 분무되는 티타늄 입자들의 평균 크기는 서포트 부재 위의 발생되는 증착물의 밀도에 영향을 미칠 것이다. 바람직하게, 증착물은 치밀하고 미세한 공극들 등으로 연결되는 결함이 없는 데, 그러한 결함이 존재하면 품질에 치명적이기 때문이다. 통상적으로, 저온 분무에 의해 도포된 입자들의 크기는 5 내지 40 미크론으로 평균 입자 크기는 약 25미크론이다. 이 기술 분야의 통상의 기술자는 형성될 구조물의 특성과 분말의 형태에 기초해서 사용하기 위하여 최적의 입자 크기 또는 입자 크기 분포를 결정할 수 있다. 일반적으로, 티타늄 층의 두께는 저온 분무 공정 동안 점차적으로 형성될 것이다.
본 발명에 사용하기에 적합한 입자들은 상업적으로 구입할 수 있다. 티타늄의 유용한 등급은 특히 2 및 3 등급의 상업적으로 순수한 티타늄을 포함한다. 유용한 티타늄 합금은 상업적으로 구입가능하며 티타늄 64와 같은 티타늄 알루미늄 바나듐 합금(6% 알루미늄 4% 바나듐)을 포함한다.
본 발명의 방법을 실행하기 위하여 사용되는 저온 분무장치는 종래의 장치와 유사하며 그러한 설비는 상업적으로 구입가능하거나 개별적으로 설치할 수 있다. 일반적으로, 저온 분무에 사용되는 설비의 기초는 미국 특허 5,302,414호에 설명되고 도시되었다. 그러한 저온 분무 장치는 필요한 대로 서포트 부재를 유지 및 조종하기 위한 설비와 결합될 수 있다. 다수의 노즐들이 저온 분무에 직렬로 사용될 수 있다.
저온 분무가 종료된 후에, 생성된 구조물은 표면 마무리 가공이 실시되는 데, 예컨대, 최종 사용자의 사양에 따라 연마, 가공되거나 또는 폴리싱 가공될 수 있다. 다른 성분 또는 부품들은 브래킷, 등의 구조물에 고정될 것이며, 이는 종래 방식으로 수행될 수 있다. 즉, 저온 분무는 구조물의 일체형 부품과 같이 브래킷 등을 형성하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명은 자전거 또는 모터사이클 프레임 제조에 특수한 이점을 가질 수 있다. 본 발명은 적절히 형상화된 서포트 부재 위에 티타늄 입자들을 증착시킴으로써 티타늄 분말로부터 직접 프레임을 제조하기 위하여 적용될 수 있다. 본 발명에 따라 저온 분무 기술을 이용하면, 초음속 이상의 속도의 티타늄 입자들이 금속 접합을 형성하기 위하여 서포트 부재에 충돌하며 표면에 증착하여 시임이 없는 티타늄 쉘을 형성하고, 서포트 부재 위로 모노코크(monocoque) 구조물을 형성한다. 용융은 이 공정에 포함되지 않으므로 티타늄 제조를 위한 보호 분위기의 실행에 대해 상당한 비용 절감을 제공한다. 신속한 재료의 증착은 입자들의 극히 신속한 증착을 통해 달성할 수 있으며, 이로써 공정이 비용 절감적이고 덜 노동 집약적으로 실행된다. 실제로, 공정이 완전 자동화될 수 있다.
본 발명은 이하 열거된 실시예들을 포함하는 다양한 실시예들에서 실행될 수 있음이 이해될 것이다. 특정 실시예들은 결합될 수 있으며, 다른 실시예들은 명확히 서로 독립적임이 이해될 것이다.
가장 넓은 실시예에서, 본 발명은 티타늄 하중 지지 구조물을 제조하기 위한 공정을 제공하며, 이는 적절하게 형상화된 서포트 부재 위에 티타늄 입자들을 저온-가스에 의해 동적으로 분무하는 것을 포함한다.
본 발명의 주요 이점은 하중 지지 구조물을 제조할 수 있도록 하는 것인 데, 이는 그렇지 않으면 개별 부품들을 함께 용접함으로써 제조될 수 있다. 위에 설명된 바와 같이, 티타늄 부품들의 용접은 실제적인 제한에 직면하였다.
바람직하게, 본 발명은 적절히 형상화된 서포트 부재 위에 티타늄 입자들을 저온 가스에 의해 동적으로 분무하는 것을 포함하는, 개별 부품들을 함께 용접하는 필요성을 제거하는 티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법을 제공한다. 이 실시예에서, 하중 지지 구조물은 개별 부품들을 조립하여 형성되기보다 일체형 구조로서 형성된다.
하중 지지 구조물의 형성 후에, 서포트 부재를 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 티타늄 구조물의 중량을 감소시킴이 유익할 수 있다. 이러한 실시예에서, 본 발명은 티타늄 하중 지지 구조물의 제조 공정을 제공하며, 이는 서포트 부재의 제거에 이어서 하중 지지 구조물을 제조하기 위하여 적절히 형상화된 서포트 부재 위에 티타늄 입자들을 저온-가스에 의해 적절히 분무하는 것을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 하중 지지 구조물의 형성 후, 서포트 부재(또는 서포트 부재의 일부)가 유지된다. 이 경우, 서포트 부재는 구조물의 일부 또는 구조물에 향상된 강성 또는 강도와 같은 유익한 특성을 부여하도록 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 공정의 최종 제품은 티타늄과 서포트 부재를 포함하는 복합 구조물이다. 여기서, 본 발명은 티타늄 복합 하중 지지 구조물을 제조하기 위한 공정을 제공하며, 이는 적절히 형상화된 서포트 부재 위에 티타늄 입자들을 저온-가스에 의해 동적으로 분무하는 것을 포함한다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 서포트 부재에 대한 재료로서 바람직할 수 있다.
하중 지지 구조물은 모노코크 디자인일 수 있다. 이는 재료 소비에서의 절약 및 중량 감소를 제공할 수 있다. 이 실시예에서 본 발명은 모노코크 디자인의 티타늄 하중 지지 구조물의 제조 공정을 제공하며, 이는 적절하게 형상화된 서포트 부재 위에 티타늄 입자들을 저온-가스에 의하여 동적으로 분무하는 것을 포함한다.
본 발명은 자전거와 모터사이클 프레임의 제조에 특별한 용도를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명은 적절하게 형성된 서포트 부재 위에 티타늄 입자들을 저온-가스에 의해 동적으로 분무하는 것을 포함하는, 티타늄 자전거 또는 모터 사이클 프레임의 제조 방법을 제공한다. 이 실시예에서, 서포트 부재의 적어도 일부가 저온-분무에 이어서 유지됨으로써 복합 구조물을 제조할 수 있음이 바람직할 수 있다. 서포트 부재는 프레임의 최종 특성에 기여할 수 있다. 바람직하게, 서포트 부재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성된다. 종래의 티타늄 자전거 및 모터사이클의 프레임들의 제조와 비교하면, 본 발명은 이하의 이점들을 제공한다:
- 티타늄 프레임이 티타늄 분말로부터 직접 제조된다. 종래의 제조방법에서는 티타늄은 주조를 통해(보호 분위기 아래) 제조되고, 일련의 변형 공정들을 거쳐 프로파일을 제조한다. 이들 티타늄 프로파일들은 용접되어 최종 프레임을 제조한다. 현재의 공정들과 달리, 본 발명에서는 용융, 프로파일 제작 및 티타늄 부품들의 결합이 필요하지 않다. 그러한 종래의 단계들은 노동 집약적이고 시간 소모적이다.
- 중량 절감 및 내식성. 티타늄의 밀도(4.6g/cm3)는 거의 강(7.8g/cm3)의 절반이다. 이와 같은 낮은 밀도는 향상된 중량 절감을 제공한다. 티타늄의 우수한 내식성은 또한 표면 보호를 위하여 여분으로 가공하는 것을 제거한다.
- 본 발명의 공정은 신속하고 저가 공정이며 크게 자동화된 제조 공정의 성능을 가진다.
- 복잡한 형상 제조의 가요성 및 이로써 신 제품 디자인 및 개발을 위한 범위가 넓다.
- 녹색 공정이다. 본 발명은 제조 사이클에서 용융 및 결합 공정들을 제거하므로 제조 공정에서 탄소 배출을 감소시킨다. 또한 폴리머 화합물 구조에 사용되는 휘발성 물질들의 사용을 제거한다.
본 발명은 자전거 프레임의 제조에서 특별한 가치를 발견할 수 있다. 그러한 프레임들은 복잡한 형상을 가지며 통상적으로 개별 프레임 부품들을 함께 용접함으로써 형성된다. 본 발명은 따라서 매력적인 대체적인 방안을 제공한다.
이하의 공정 단계들 및 실제적인 고려에서 본 발명의 공정을 이용하는 자전거 프레임의 제조가 설명된다. 그러나 이들 공정 단계들과 실제적인 고려는 다른 유형의 하중 지지 구조물들의 제조와도 관련을 가짐이 이해될 것이다. 자전거 프레임의 복잡한 형상은 성공적인 증착과 저온 분무(직접) 제조 시스템의 개발을 위하여 노즐 구조의 시험이 필요할 수 있다. 이러한 측면에서, 중요한 제조 인자가 복잡한 프레임 각도가 형성되도록 노즐 위치에 대한 고려 및 이동 방식에 대한 고려가 중요하다.
여기서 스캐폴드가 증착될 수 있는 이동가능한 (예컨대, 회전가능한) 스테이지를 사용하는 것이 적절할 수 있다. 스테이지의 이동은 프로그래머블 컴퓨터 시스템을 이용하여 제어될 수 있다. 저온 분무 동작 파라미터들은 또한 스캐폴드 위로의 증착을 최적화하기 위하여 변경될 수 있다.
컴퓨터 제어 하에 이동가능한 로봇 아암에 저온 분무 노즐을 증착하는 것이 적절할 수 있다. 그러나, 이 경우, 균열(crack) 형성을 유발할 수 있고 사용자 안전 문제가 발생하므로, 저온 분무 설비에 연관되어 장착된 동력 케이블 및/또는 가스 호스(들)에서의 마모 및 찢어짐을 제한하거나 피하기 위하여 주의하여야 한다. 이러한 취지에서, 저온 분무 노즐을 고정되게 유지하고 노즐에 대해 스캐폴드를 이동하도록 함이 바람직할 수 있다. 스캐폴드는 따라서 컴퓨터 제어 하에서 이동가능한 로봇 아암에 증착될 수 있다.
본 발명의 실시는 또한 하중 지지, 최종 제품의 중량 및 비용 평가에 대한 디자인 최적화를 포함할 수 있다. 예컨대, Autodesk® 소프트웨어가 응력 분포 및 스캐폴드 재료의 굴곡을 평가하기 위하여 CAD/CAM 모델들을 개발하도록 사용될 수 있다.
제품의 티타늄 증착 관련 이하의 기계적 특성은 측정되거나 및/또는 모델화될 수 있다. 그러한 작업으로부터 템플리트(template)가 개발되어, 스캐폴드 두께와 티타늄 증착 두께를 기초해서 제품 중량 및 하중 지지 성능을 평가하기 위한 성능을 제공할 수 있다.
개선된 로봇 시스템은 스캐폴드의 적절한 저온 분무를 달성하기 위하여 필요한 복잡한 운동을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 로봇은 실 세계에서의 로봇 프로그램의 실행과 발전을 보이기 위하여 특정 소프트웨어를 사용할 수 있다. 가상 세계로부터 실제 증착 상태로의 개발된 프로그램의 전이 및 실행은 직접 제조 공정에 필요한 시간에 관련해서 극히 비용 절감적이며, 저온 분무 설비, 및 필요한 인력에 대해 기간을 줄이는 성공적인 경로를 제시하기 위하여 적용될 수 있다. 성공적인 방안의 예는 이하에 설명된다.
다소-소형의 스캐폴드용 가상( Virtual ) 로봇 시스템
상업적으로 이용가능한 CAD 소프트웨어를 이용하여 설계된 작은 크기의 스캐폴드용 가상 환경에서 프로그램이 개발되었다. 이러한 측면에서, ".SAT" 파일을 생성할 수 있는 3D 도면 소프트웨어가 사용가능하여야 한다. 완전 크기의 스캐폴드 대신에 작은 크기의 스캐폴드는 가상 프로그래밍의 견지에서 신속히 수율을 달성하도록 설계되었다.
개선된 알고리듬의 개발
많은 결합점들과 각도들을 가진 스캐폴드의 복잡한(sophiscated) 형상은 상당한 수의 (증착) 타깃(>4000)들과 성공적인 증착을 위한 경로들을 가진 세련된 로봇 프로그램을 필요로 하였다. 이와 같은 많은 수의 타깃들의 프로그래밍은 극히 힘들고 시간 소비적이다. 이를 극복하기 위하여, 개선된 알고리듬이 개발자의 프로그램에 필요한 타깃들의 수를 크게 감소시키기 위하여 소프트웨어 내에서 개발될 수 있다. 이러한 알고리듬에서, 스캐폴드의 각 부분은 개발자에 의해 프로그램된 16개의 주 타깃들과 알고리듬에 의해 생성된 여분의 타깃들을 가진 모듈로서 생각된다. 이러한 방안은 프로그래밍을 위한 상당한 정도의 시간을 절감한다. 결국, 알고리듬 내의 타깃들은 이하의 조건들을 충족하여야 한다.
1. 저온 분무 노즐 출구에 관련해서 로봇 아암의 거리 내에 존재,
2. 티타늄 증착에 최적화(저온분무 노즐 각도 및 거리),
3. 로봇 아암 근처에서 저온 분무 노즐이나 다른 대상들과 충돌하지 않음.
이러한 유형의 직접 제조 시스템의 개발의 최종 스테이지는 실제 실험실 조건들에서 가상 로봇 프로그램을 검사하는 것이다. 높은 정밀도의 로봇 운동이 작은 크기의 스캐폴드를 저온 분무되는 티타늄 입자들의 초음파 젯에 노출시킴으로써 시험될 수 있다. 초음파 젯 거동을 예측하는 것은 스캐폴드의 곡선의 각진 표면들과 젯의 상호 작용으로부터의 복잡한 교란의 생성에 기인하여 어려울 수 있다. 이는 실제 상태에서 가상 프로그램을 실행하는 것이 필요하다.
로봇 파라미터들( Robot Parameters )
본 발명에 따른 비용 절감적인 직접 제조에 대해서, 더욱 신속한 생산을 위하여 로봇 속도는 증가될 수 있다. 그러나 티타늄 증착물 위의 증가된 로봇 직선 속도의 주요 효과는 티타늄 증착 두께의 감소이다. 이러한 얇아지는 효과는 저온 분무 시스템의 공급 속도(분말 출력)를 증가시킴으로써 보충될 수 있다. 로봇의 직선 속도는 관련된 극히 신속한 입자 속도(>1000m/s)에 기인하여 티타늄 증착물의 유효성에 대해 큰 효과를 가지지 못한다. 이는 종래의 로봇 속도보다 거의 4배 크기 더 빠르다. 이는 시간 소비적인 용접과 프로파일 제조 공정을 포함하는 제조 공정들을 제거하는 일관되고 신속한 직접 제조 공정을 달성하기 위한 저온 분무 기술에 대해 특별한 이점을 제공한다.
표면 품질의 향상( Improvement of Surface Quality )
저온 분무 제품의 표면 품질/표면 마무리는 제품 판매에 중요할 수 있다. 다른 색채와 다른 시장 지향 반사면들의 양극 산화처리, 및 미러 마무리를 포함하는 다양한 표면 마무리가 달성될 수 있다. 매우 큰 반사면은 증착 티타늄의 적절한 폴리싱을 통해 달성될 수 있다.
전체 크기 스캐폴드의 가상 로봇 프로그램( Virtual Robot Program for Full Size Scaffold )
전체 크기 스캐폴드의 직접 제조를 달성하기 위하여 이하와 같은 구성을 포함한다:
1. 프로그램된 타깃들의 도달 거리에 전체 로봇 아암이 배치되며; 그리고
2. 프로그램의 실행 동안 저온 분무 설비를 가진 대형 스캐폴드의 근처 다른 물체와의 충돌 및 근접 오류를 방지한다.
모든 스캐폴드 부품들에 대해 최선의 로봇 아암 도달 거리를 달성하기 위하여 위치 조정 시물레이션 후에 완전 크기 스캐폴드에 대해 분무 노즐 위치가 최적화될 수 있다. "홈(home)" 위치가 각 프로그램 모듈을 실행한 후에 그의 원 위치로 스캐폴드를 이동시키기 위하여 정의된다. 신속한 제조를 위하여, 스캐폴드는 예컨대 전방과 대응하는 절반부와 같은 두 개의 절반부들로 분할될 수 있다. 이어서 각 부분은 타깃들을 프로그래밍하기 위하여 그 자체의 모듈을 가진다.
추가적으로, 측정 모듈은 실제 증착 조건들에서 로봇 아암과 스캐폴드에 대해 노즐을 설정하는 것이 필요할 수 있다. 스캐폴드와 노즐이 가상 프로그램에서 시물레이션된 바와 정확하게 같은 공간 위치에서 위치하는 것을 보장하기 위하여 이것이 중요하다. 전체 스캐폴드 구조물 위에 티타늄을 증착하기 위하여 가상 프로그램에서 일련의 모듈들이 개발될 수 있다. 가상 프로그래밍의 성공으로의 열쇠는 근접 오류와 개별적인 타깃들에 대한 충돌이 없이 모든 타깃들에 대해 로봇 아암의 도달 거리를 설정하는 것이다.
전체 크기 티타늄 자전거 프레임의 성공적인 제조
적절한 스캐폴드 위로의 티타늄 증착의 제1 단계는 로봇 가상 스태이션에서의 시물레이션과 같은 공간에 스캐폴드 및 저온 분무 노즐의 정확한 위치들을 설정하기 위한 제조 시스템의 측정을 포함한다. 노즐과 스캐폴드가 정렬되지 않으면 가상 프로그램의 거의 모든 프로그램된 타깃들이 실제 증착 조건들 아래에서 위치에서 벗어날 것이라는 사실에 기인하여 아주 중요하다. 이로써 일정 영역들에서의 증착의 결여와 스캐폴드와 노즐의 충돌을 발생할 수 있다. 측정 공정은 이들 문제들을 극복하도록 고안될 수 있다.
저온 분무 노즐에 대한 스캐폴드의 측정
저온 분무 노즐에 대한 스캐폴드의 정확한 위치설정은 로봇 가상 스태이션에 유사한 실제 증착 조건에서의 타깃 좌표들의 요건에 의하여 중요하였다. 그러한 정확성을 달성하기 위하여, 스캐폴드는 로봇 아암과 스캐폴드 홀더에 대해 정확하게 위치되어야 한다. 스캐폴드를 제 위치에 유지하기 위하여 스캐폴드를 핀에 의해 로봇 아암에 증착하도록 고안될 수 있다. 바람직하게는, 제안된 측정은 전부 자동화되고, 스캐폴드가 로봇 아암에 대해 그의 위치를 자동으로 조정하는 것이다.
측정 프로그램이 노즐 팁에 대해 스캐폴드의 정확한 위치 설정을 검사하도록 개발될 수 있다. 이러한 프로그램에서, 저온 분무 노즐 팁에 대한 스캐폴드의 각도상 측정이 가능하다. 제조를 위한 이러한 측정 공정은 정확한 직선 및 각도상 위치설정을 위하여 주로 개발되었다. 완전 자동화된 측정 시스템에 대한 가능성을 가진 새로운 디자인의 스캐폴드의 장래 개발을 위하여 이는 특히 중요하다.
티타늄 증착( Deposition of titanium )
저온 분무 노즐과 스캐폴드의 정렬과 제조 시스템의 측정 후의 다음 단계는 티타늄 증착이다. 개발된 로봇 시스템을 실행에 의해 티타늄 분말의 저온 분무에 의해 제1의 직접 제조된 티타늄 자전거 프레임을 성공적으로 제조하였다. 이하의 상세한 설명은 예로서 이루어진 것이며 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
자전거 프레임의 소정 형상에서 알루미늄 스캐폴드는 두께 0.5mm의 벽을 가진 알루미늄 도관을 결합(용접)함으로써 구성되었다. 이러한 스캐폴드 위에 거의 1mm 두께의 티타늄층이 45분 내에 증착되었다. 이러한 시간은 더 빠른 티타늄 공급 속도와 더 큰 로봇 속도에 의해 감소될 수 있다. 명확하게, 종래의 용접 공정들을 이용한 거의 2일의 제조 시간과 이는 비교된다.
저온 분무 티나늄 증착은 스캐폴드 둘레의 쉘(shell)의 형태이다. 이러한 특수한 구조는 결합이나 용접을 포함하지 않는다. 이것은 그러한 복잡한 구조물들이 구성되는 패러다임의 이동을 나타내는 것으로 믿어진다.
스캐폴드 재료는 제거되고 가성(caustic) 소다와 같은 적절한 용액에 스캐폴드를 용해함으로써 티타늄 쉘이 얻어질 수 있다.
그러나, 저밀도 복합 구조물에 알루미늄과 티타늄의 특수하게 결합된 특성을 이용하기 위하여 스캐폴드 구조물이 티타늄 자전거 프레임의 일부로서 유지될 수 있음이 마찬가지로 가능하다.
티타늄은 강도, 경도 및 수명(durability)을 포함하는 많은 바람직한 특성들에 기여한다. 그러한 특성들은 고성능 자전거에 매우 유익하다. 이러한 실시예에 따라, 더욱 주류(mainstream)" 용도의 자전거 프레임들을 제조할 수 있을 것이다. 그러한 경우, 알루미늄 스캐폴드(밀도 2.6g/cm3)와 저온분무 티타늄 외측 쉘/층(밀도 4.6g/cm3)을 결합을 이용함으로써 경량화가 달성될 수 있다. 이는 약 7g/cm3의 밀도를 가지는 종래의 강에 비교된다. 프레임의 비용은 사용되는 알루미늄 대 티타늄 비율을 변경함으로써 제어될 수 있다. 얻어지는 프레임은 여전히 비교적 낮은 알루미늄의 강도(티타늄의 강도에 비교해서)를 보충하기 위하여 매스(mass)를 사용해야 하는 모든 알루미늄 프레임보다 부피가 더 작다.
첨부의 비제한적인 예들을 참조하여 본 발명의 실시예들이 설명된다.
예들( Examples )
예 1
재료와 방법들
저온 분무 시스템
적절하게 형성된 스캐폴드 위에 티타늄 분말을 증착하기 위하여 사용될 수 있는 저온 분무 시스템의 개요가 도 1에 도시된다.
도 1의 설명:
1: 인클로져
2: 가스 소스(통상적으로 질소, 헬륨, 또는 양자의 혼합물)
3: 고압으로 공급되는 가스
4: 히터
5: 티타늄 분말 공급
6: 전기 히터
7: 라발(Laval)노즐
8: 티타늄 입자들의 초음파 젯
9: 스캐폴드
10: 로봇
고압 하에 질소, 헬륨 가스 또는 그 혼합물이 가열 시스템 및 수렴(converging)/확산(diverging) 노즐을 통과한다. 노즐 출구에서의 가스의 급속 팽창에 의해 초음속 휠씬 이상으로 가스가 가속되고 가스 온도는 크게 저하한다. 저온 분무 가스 흐름 내로의 티타늄 분말의 분사에 의해 입자들을 초음속으로 가속된다. 이러한 결과, 티타늄 입자들은 저온 분무 증착과 스캐폴드에의 접합을 위한 필요 운동 에너지를 달성한다.
이하의 표 1은 알루미늄 스캐폴드 위의 저온 분무 티타늄의 성공적인 증착을 위한 최적화된 파라미터들을 도시한다. 일정 범위의 동작 파라미터들을 이용하여 성공적인 증착이 달성될 수 있음을 알 수 있다. 이는 가스 압력 및 온도의 변화가 각각 티타늄 입자들의 증착을 위한 임계 속도로 인도하는 조건들을 각각 생성하기 때문이다. 또한, 이러한 임계 속도 이상으로의 가속에 의해 티타늄 증착물이 치밀화되고 생성된 코팅의 기계적 특성이 변화한다.
표 1은 본 발명에 따른 알루미늄 스캐폴드 위의 등급 2의 티타늄 분말의 성공적인 증착에 대해 저온 분무 파라미터 범위가 유용함이 발견되었음을 표시한다.
번호 저온 분무 파라미터들 범위
1 운반가스 유형 질소
2 가스 압력 2.5 ~3.5 MPa
3 가스 온도 450~850℃
4 분말공급속도 1.5~10Kg/h
5 이격 거리(노즐 출구와 스캐폴드 사이 거리) 25-40mm
6 분말 유형 티타늄 2등급
불규칙 형상
7 티타늄 입자 크기 범위 5-40미크론
로봇( Robot )
로봇이 저온 분무 노즐의 전방에서 스캐폴드를 조종하기 위하여 사용된다. 스캐폴드의 운동은 정해진 속도에서 프로그램된 경로를 따르도록 프로그램된 컴퓨터-제어 로봇에 의해 매우 정확하게 제어된다.
스캐폴드( Scaffold )
스캐폴드는 그 위에 티타늄이 증착될 수 있는 얇은 구조물이다(두께가 0.5mm 또는 그 이상). 이와 같이 티타늄은 스캐폴드 위의 시임 없는 쉘을 형성한다. 본 발명에서 알루미늄은 바람직하게 그의 경량, 밀도(2.7g/cm3) 및 구입가능한 가격에 기인하여 스캐폴드 재료로서 사용된다. 그러나, 원칙상, 저온 분무를 이용하여 티타늄이 증착될 수 있는 재료이면 스캐폴드에 대해 어떤 재료도 사용될 수 있다.
예 2
위에 설명된 바와 같이, 본 발명은 자전거 프레임의 제조에 특별한 유용성을 가지는 것으로 믿어진다. 이 예는 그러한 프레임의 제조에 포함된 단계들과 공정들을 상세히 설명한다. 그러나 설명된 단계들과 공정들은 본 발명에 따른 다른 제품을 제조하기 위하여 적용될 수 있음이 이해되어야 한다.
증착 공정의 최적화
티타늄 증착 공정을 최적화하기 위하여, 일련의 실험들이 임계 저온 분무 파라미터들을 결정하기 위하여 설정된다. 티타늄 입자들은 저온 분무에 의하여 합금되지 않은 알루미늄 (1100 유형) 스캐폴드에 도포되어 티타늄 자전거 프레임 구조물이 제조된다.
증착은 일 단부에 돔 형상을 가진 특수 설계된 돔 형상의 샘플들에 이루어졌다. 돔 형상에 의해 곡선면들 위의 증착을 시험할 수 있다. 일부의 스캐폴드 부재들은 또한 절반으로 가공되어 티타늄 증착물 위에서의 분할 선의 효과를 검사한다. 분할 시료 위의 실험은 모노코크 유형의 구조물의 장래 개발을 위하여 특히 중요한 것으로 믿어진다.
결과들에 의하면, 시편들의 중간부에 돔 형상을 가지고 에지 위에 성공적으로 증착됨을 보여주었다. 저온 분무 노즐 각도의 조사에 의하면, 시편 축에 대해 수직인 45도 젯 각도에 의해 분할 선을 가진 샘플들에 대해 증착물의 충진 효과가 향상됨을 알 수 있다. 시료가 45도 젯 각도를 가지고 200 rpm에서 회전될 때, 분할 선을 충진하는 티타늄 증착물의 유사한 진전이 관찰되었다.
이하의 표 2는 이러한 유형의 기판에 증착하기 위해 결정되는 저온 분무 파라미터들을 도시한다.
1 저온분무 노즐 형태 노즐 형태 27TC
CGTA00027(단형 노wmf)
2 저온분무가스 온도 680℃
3 저온가스 압력 28바
4 분말공급속도 분말공급기 디스크 위의 2rpm
5 분말공급기 캐리어 가스 5 m3/h
6 증착 가스 질소
7 이격 거리(노즐 출구 및 스캐폴드로부터) 30-45mm
증착된 티타늄과 하지 알루미늄 스캐폴드 사이의 접합을 결정하기 위하여, 광학 및 스캐닝 전자 현미경이 사용되었다. 전자 현미경 관찰에 의하면 범위를 정하거나 균열이 없이 티타늄과 알루미늄 사이의 성공적인 접합 형성이 관찰되었다(도 2 참조).
저온 분무 증착 티타늄과 알루미늄 사이 계면의 스캐닝 전자 현미경에 의하면 알루미늄 표면을 관통하고 알루미늄 기판과 강력한 접합을 형성하는 티타늄 입자들의 초음파 충격에 기인하는 티타늄 증착과 기판 사이의 성공적인 상호 결합이 관찰되었다(도 3 참조).

Claims (19)

  1. 티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법으로서,
    적절하게 형성된 서포트 부재 위에 티타늄 입자를 저온-가스에 의해 동적으로 분무하는 것을 포함하며,
    저온 가스의 동적인 분무가 종료된 후에 상기 서포트 부재는 특정 위치에 유지되고 상기 하중 지지 구조물의 다른 위치들로부터 제거되는,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 사용시 비교적 높은 하중을 받는 하중 지지 구조물의 영역들에 유지되고 사용시 비교적 작은 하중을 받는 하중 지지 구조물의 영역들에서 제거되는,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서포트 부재가 상기 하중 지지 구조물에 부여할 특성에 기초하여 선택된 재료로 상기 서포트 부재가 형성되는,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서포트 부재의 영역은 제조된 하중 지지 구조물에서 차지할 영역의 위치에 기초하여 설계 및/또는 두께가 변화하는,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서포트 부재의 영역은 제조될 하중 지지 구조물에서 차지할 영역의 위치에 기초하여 다른 재료로 제조되는,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    저온-가스의 동적인 분무에 의해 도포된 티타늄은 하중 지지 구조물의 위치에 따른 하중 지지 조건을 충족하기 위하여 저온-가스의 동적인 분무가 진행됨에 따라 조성이 변하는,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    티타늄은 상기 서포트 부재 위에 증착되고 하중 지지 구조물의 위치에 따른 하중 조건에 기초하여 두께가 변화하며 증착되는,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    티타늄 입자들은 5 내지 40 미크론의 입자 크기를 가지며 평균 입자 크기는 25미크론인,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    티타늄은, 티타늄, 알루미늄 및 바나듐의 합금 또는 상업적인 순수 티타늄으로부터 선택되는,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 저온-가스의 동적인 분무에 사용되는 저온-가스의 동적으로 분무하는 노즐에 대해 이동되는,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하중 지지 구조물은 프레임인,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프레임은 우주선(aerospace vessel), 선박(nautical vessel) 또는 모터 차량용 프레임이거나, 또는 자전거, 모터사이클, 모터 스쿠터, 휠체어, 행글라이더 또는 여행가방(luggage) 프레임인,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 프레임은 자전거 프레임인,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되고 상기 서포트 부재의 적어도 일부는 저온-가스에 의한 동적인 분무에 이어서 유지되고, 이로써 복합 하중 지지 구조물을 형성하는,
    티타늄 하중 지지 구조물의 제조 방법.
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