KR102143879B1 - 입체 조형물을 제작하는 3d 프린팅 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 제1전극이 연결된 전극접촉 팁에 의해 감싸지는 금속 재질의 제1와이어를 공급하는 제1와이어 공급라인 및 상기 제1와이어 공급라인의 양측에 위치하며 상기 제1와이어의 공급방향으로 불활성 가스를 공급하는 제1가스 공급라인이 내부에 형성되는 제1노즐부와, 상기 제1노즐부의 하측에 일정간격 이격되어 배치되며, 제2전극이 연결된 적층부재가 안착 가능한 판상의 작업대부와, 상기 제1노즐부 후방에 일정 간격을 두고 평행하게 배치되며, 제3전극이 연결된 전극접촉 팁에 의해 감싸지는 텅스텐봉이 결합되고, 불활성 가스를 공급하는 제2가스 공급라인이 내부에 형성되는 제2노즐부를 포함하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 전위차에 의해 발생하는 아크(Arc) 열에 의해 상기 제1와이어의 선단부와 상기 적층부재의 일부가 동시 용융되어 2차원의 적층이 상기 작업대부에 일어나며, 상기 제2전극과 상기 제3전극의 전위차에 의해 아크가 발생되고, 상기 아크 열에 의해 상기 적층부재의 일부가 재열됨으로써, 상기 적층부재에 발생한 리플(ripple)의 평탄화가 이루어지지는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 입체 조형물을 제작하는 3D 프린팅 장치에 관한 것으로서, 더 자세하게는 평평한 가공면을 갖는 금속 소재의 입체 조형물을 제작하는 3D 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다.
3D 프린팅 장치는 입체 조형물을 제작하는 장치로서, 3차원 형상의 입체 조형물의 형상에 관한 데이터를 미분하여 2차원 평면에 관한 데이터로 생성하고, 생성된 데이터에 따라 재료를 층층이 쌓거나, 재료를 절삭하여 입체 조형물을 제작한다.
금속 소재의 입체 조형물을 제조하는 방식 중 하나로 용가재와 모재의 간극에서 발생하는 아크 열로 용가재 및 모재를 용융시켜, 한층씩 부착시키며 적층하여 조형물을 제조하는 방식이 있다.
이때, 모재는 적층 과정 중에 아크 열에 의해 용융되어 오목하게 함몰되는데, 용융풀의 중앙은 집속되는 아크 열로 인해 6000℃ 이상의 온도를 갖게 되며, 용융풀의 최외곽은 고상과 액상의 경계로 약 1500℃ 정도의 온도를 갖는다. 따라서, 용융물 내 매우 극심한 온도구배가 발생되고, 이로 인한 용융풀 내 용융물의 급속한 자연 유동 및 프린팅 속도에 따른 용융풀의 이동에 의해, 용융물은 파도물결이 발생되게 되며, 프린팅 표면에 일정 간격으로 파동모양의 리플(Ripple)이 형성되게 된다.
즉, 종래의 금속3D 프린팅 장치는 리플을 제거하기 위해서 별도의 표면가공이 요구되는 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 별도의 표면가공 없이 평평한 면을 갖는 입체 조형물을 제작하는 금속 3D 프린팅 장치 및 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 제1전극이 연결된 전극접촉 팁에 의해 감싸지는 금속 재질의 제1 와이어를 공급하는 제1와이어 공급라인 및 상기 제1와이어 공급라인의 양측에 위치하며 상기 제1와이어의 공급방향으로 불활성 가스를 공급하는 제1가스 공급라인이 내부에 형성되는 제1노즐부와, 상기 제1노즐부의 하측에 일정간격 이격되어 배치되며, 제2전극이 연결된 적층부재가 안착 가능한 판상의 작업대부와, 상기 제1노즐부 후방에 일정 간격을 두고 평행하게 배치되며, 제3전극이 연결된 전극접촉 팁에 의해 감싸지는 텅스텐봉이 결합되고, 불활성 가스를 공급하는 제2가스 공급라인이 내부에 형성되는 제2노즐부를 포함하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 전위차에 의해 발생하는 아크(Arc) 열에 의해 상기 제1와이어의 선단부와 상기 적층부재의 일부가 동시 용융되어 2차원의 적층이 상기 작업대부에 일어나며, 상기 제2전극과 상기 제3전극의 전위차에 의해 아크가 발생되고, 상기 아크 열에 의해 상기 적층부재의 일부가 재열됨으로써, 상기 적층부재에 발생한 리플(ripple)의 평탄화가 이루어지며, 상기 제2노즐부는 상기 적층부재로 금속분말을 공급하는 분말 공급라인을 포함하고, 상기 분말 공급라인은 텅스텐봉과 제2가스 공급라인 사이에 위치하며, 상기 분말 공급라인으로부터 토출된 금속분말은 상기 제2전극과 상기 제3전극에 의해 발생된 아크 열에 의해 융해되어 슬러지 상태의 금속의 굴곡부위를 채우는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1노즐부와 동일 면상으로 전방에 위치하며 상기 제1노즐부와 예각을 이루도록 배치되고, 금속 재질의 제2와이어를 공급하는 제2와이어 공급라인이 내부에 형성되는 하나 이상의 제3노즐부를 더 포함할 수 있다.
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본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 와이어는 솔리드 와이어와 금속분말 코어 와이어 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2 와이어는 스트립, 솔리드 와이어, 그리고 금속분말 코어 와이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 전술한 3D 프린팅 장치를 이용한 3D 프린팅 방법에 있어서, 제1전극 및 제2전극에 전류를 공급하여 아크를 형성하고 아크 열로 적층부재의 일부를 용융시키는 단계와, 제3전극에 전류를 공급하여, 아크를 형성하여 아크 열로 적층부재의 일부를 재열시킴으로써, 상기 적층부재에 발생한 리플(ripple)의 평탄화가 이루어지는 단계와, 용융된 제1와이어의 선단부와 적층부재의 일부가 혼합되어 응고되면서 단일층을 형성하는 단계와, 단일층 오버레이를 연속적으로 수행하여, 단일층을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1노즐부에서 발생한 아크열로 인해제 1와이어, 제 2 와이어 혹은 스트립 선단부 및 적층부재가 용융되고, 제2노즐부에서 발생한 아크열로 슬러지 상태의 적층부재가 재열되기 때문에, 적층부재의 표면장력이 작아질 수 있으며, 이로 인해 3D 프린팅 적층부는 표면이 평평하게 형성될 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 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3노즐부가 형성된 3D 프린팅 장치의 좌측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 제2노즐부의 단면도이다.
도 5는 제1와이어 및 적층부재의 극성에 따른 전자 및 이온의 흐름 방향 및 용입 깊이를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 구성이 형성된 3D 프린팅 장치를 도시하는 도면이다.
도 7은 도 6의 3D 프린팅 장치의 제어 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3노즐부가 형성된 3D 프린팅 장치의 좌측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 제2노즐부의 단면도이다.
도 5는 제1와이어 및 적층부재의 극성에 따른 전자 및 이온의 흐름 방향 및 용입 깊이를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 구성이 형성된 3D 프린팅 장치를 도시하는 도면이다.
도 7은 도 6의 3D 프린팅 장치의 제어 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법을 나타낸 순서도이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(1)의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(1)의 배면도이다.
3D 프린팅 장치(1)는 제1노즐부(10), 작업대부(20) 및 제2노즐부(30)를 포함한다.
제1노즐부(10)는 작업대부(20) 측으로 제1와이어(11) 및 불활성 가스를 공급하는 구성요소로서, 금속 재질의 제1와이어(11)를 공급하는 제1와이어 공급라인(13) 및 불활성 가스가 이동 가능한 제1가스 공급라인(14)이 내부에 형성될 수 있다. 이때, 제1와이어(11)는 제1전극이 연결된 전극접촉 팁(12)에 의해 감싸질 수 있으며, 제1가스 공급라인(14)은 제1와이어 공급라인(13)의 양측에 위치할 수 있다.
이때, 제1와이어(11)는 솔리드 와이어 또는 금속분말 코어 와이어는 중 어느 하나일 수 있다. 제1와이어(11)가 솔리드 와이어 또는 금속분말 코어 와이어인 경우, 제1와이어(11)는 일반 아크용접 시 사용하는 상용 와이어 직경인 0.6mm 내지 1.2mm를 가질 수 있다. 제1와이어(11)의 직경이 0.6mm 인 경우, 정밀 3D 프린팅을 할 수 있으며, 1.2mm 경우 적층 두께가 커서 적층율을 향상시킬 수 있다.
한편, 금속분말 코어 와이어는 얇은 튜브 형태의 와이어 속에 합금금속분말이 채워진 것을 지칭하며, 튜브 형태의 와이어는 탄소강, 스테인레스강, 니켈 합금 또는 알루미늄 합금 등 상용되는 합금 모두로 제조될 수 있다.
작업대부(20)는 적층부재(21)를 지지하는 구성요소로서, 제1노즐부(10)의 하측에 일정간격 이격되어 배치되며, 판상으로 형성될 수 있다. 작업대부(20)는 적층부재(21)와 일체로 형성될 수 있으며, 제1전극과는 다른 전위를 갖는 제2전극이 연결될 수 있다.
이로 인해, 제1전극과 제2전극 사이에는 전위차에 의해 아크(A, Arc)가 발생할 수 있으며, 아크 발생 영역 내에 위치한 제1와이어(11)의 선단부 및 작업대부(20)의 일부는 아크 열에 의해 용융되며, 제1와이어(11)의 선단부가 계속 용융되며, 3D 프린팅 적층부재(21)를 형성하며 적층하여진다. 3D 프린팅 적층부(22)는 적층부재(21)의 마지막 층으로 실제 제1와이어(11)의 선단부 및 적층부재(21)의 일부가 아크 열에 의해 용융되어 용융풀이 형성되는 모습을 보여주고 있다. 에 의해 용융될 수 있다. 이때, 용융된 제1와이어(11)의 선단부 및 적층부재(21)의 일부(이하, 용융된 금속)은 제1노즐부(10)의 움직임에 의해 아크 발생 영역으로부터 벗어난 후, 응고가 진행되어 고체 상태의 3D 프린팅 적층부(22)로 변환될 수 있다. 한편, 금속 용융부는 중앙과 최외곽의 온도구배 및 급속한 자연 유동에 의해, 응고 시 표면에 일정간격으로 리플(Ripple)이 형성될 수 있다.
이때, 제1전극이 (-)극이고 제2전극이 (+)극(직류 정극성, 도 5의 (a) 참조)인 경우, 전자가 제1와이어(11)에서 적층부재(21)로 빠르게 이동하며 충돌하기 때문에, 3D 프린팅 적층부(22) 용융풀의 용입 깊이가 깊고 폭이 좁을 수 있다. 반면, 제1전극은 (+)극일 수 있으며, 제2전극은 (-)극(직류 역극성, 도 5의 (b) 참조)일 수 있다. 직류 역극성인 경우, 전자가 적층부재(21)에서 제1와이어로 이동하면서, 제1와이어 (11)의 용융속도가 향상되어 용융풀의 깊이가 작으며 고속으로 프린팅 될 수 있으며, 가스 이온(+)은 표면에 충돌하여 표면에 형성된 피막(산화막, 질화막 등)을 제거하여, 피막에 의한 3D 프린팅 적층부(22)의 결함을 줄일 수 있다.
또한, 제1전극 및 제2전극이 교류(도 5의 (c) 참조)인 경우, 전자와 가스 이온은 제1와이어(11)와 적층부재(21)를 이동함으로 용입 깊이는 직류 역극성 및 직류 정극성의 중간일 수 있다.
한편, 본 발명은 아크(A)의 길이가 2mm 내지 10mm 일 수 있다. 아크(A)의 길이가 2mm 미만인 경우, 3D 프린팅 적층부(22)가 키홀(Key-hole) 형태로 형성될 수 있으며, 아크(A)의 길이가 10mm를 초과한 경우, 아크(A)에 의한 용융 과정이 제대로 수행되지 않을 가능성이 높으며, 아크 스패터(Spatter) 발생으로 3D 프린팅 적층부(22)의 품질이 저하될 수 있다. 이때, 아크(A)의 길이는 제1와이어(11)와 적층부재(21) 사이 간극에 따라 결정될 수 있다.
제2노즐부(30)는 3D 프린팅 적층부(22)를 재열하는 구성요소로서, 내부에 제3전극이 연결된 전극접촉 팁(32)에 의해 감싸진 텅스텐봉(31)이 결합될 수 있으며, 불활성 가스를 공급하는 제2가스 공급라인(34)이 형성될 수 있다. 더욱 상세하게, 제2노즐부(30)는 내부에 길이방향으로 텅스텐봉(31)이 삽입되는 관통공(33)이 형성될 수 있으며, 관통공(33)에는 텅스텐봉(31)이 끼움 결합될 수 있다.
한편, 제2노즐부(30)는 제1노즐부(10)의 이동방향과 반대방향으로 제1노즐부(10)와 1cm 내지 10cm 정도의 이격거리(d)를 갖고 평행하게 배치될 수 있다.
이때, 제3전극은 제2전극과는 다른 전위를 갖는 전극으로, 제2전극과 제3전극 사이에는 전위차에 의해 아크(A’)가 발생할 수 있다. 즉, 제1노즐부(10)에 의해 용융된 후, 응고가 진행중인 슬러지(Sludge) 상태(고상과 액상이 혼합된 상태)의 금속은 제2노즐부(30)에 의해 다시 재열될 수 있으며, 온도 상승에 의해 표면장력이 작아지고, 서서히 냉각되어 평평한 상태가 될 수 있다.
한편, 제1노즐부(10)와 제2노즐부(30)가 1cm 미만으로 이격되는 경우, 용융된 금속은 응고도 되기 전 열이 가해짐으로써, 재열의 효과를 얻을 수 없다. 또한, 제1노즐부(10)와 제2노즐부(30)가 10cm를 초과하여 이격되는 경우, 용융된 금속이 거의 완전히 응고되어 3D 프린팅 적층부(22)로 변환되기 때문에, 3D 프린팅 적층부(22)를 용융시키는데 오랜 시간이 걸리고, 재열의 효과를 얻을 수 없다.
즉, 본 발명은 용융된 금속이 슬러지상태일 때, 슬러지 상태의 금속표면을 재열시켜, 짧은 재열시간으로도 3D 프린팅 적층부(22)의 표면장력을 낮춰 표면이 평평하게 될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2노즐부(30)는 항상 제 1 노즐부(10)의 후방에 위치하며, 제3전극이 연결된 전극접촉 팁(32)에 의해 감싸지는 텅스텐봉(31)이 삽입되는 관통공(33), 관통공(33)의 양측에 위치하여 금속분말(P)을 공급하는 분말 공급라인(35) 및 분말 공급라인(35)의 양측에 위치하며 불활성 가스를 공급하는 제2가스 공급라인(34)을 포함할 수 있다.
분말 공급라인(35)으로부터 토출된 금속분말(P)은 슬러지 상태의 금속의 표면으로 하강될 수 있으며, 제2전극과 제3전극에 의해 발생된 아크 열에 의해 융해되어, 슬러지 상태의 금속의 굴곡부위를 채워질 수 있다. 즉, 3D 프린팅 적층부(22)의 표면은 용융금속분말(P)에 의해 채워짐으로써 더 평평해질 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(1)는 하나 이상의 제3노즐부(40)를 더 포함할 수 있다. 제3노즐부(40)는 항상 제 1 노즐부(10)의 전방에 위치하며, 작업대부(20) 측으로 제2와이어 혹은 스트립(41)을 공급하는 구성요소로서, 제2와이어 혹은 스트립 (41)이 이동 가능한 제2와이어 혹은 스트립 공급라인(42)이 내부에 길이방향으로 형성될 수 있다. 이로 인해, 본 발명은 3D 프린팅 적층부(22)의 생산 효율 및 융착성이 향상될 수 있다.
이때, 제2와이어 혹은 스트립(41)은 솔리드 와이어 또는 금속분말 코어 와이어 혹은 스트립 중 어느 하나일 수 있다. 제2와이어 혹은 스트립 (41) 중 와이어가 솔리드 와이어 또는 금속분말 코어 와이어인 경우, 제2와이어(41)는 상용 와이어 직경인 0.6mm 내지 1.2mm를 가질 수 있다. 제1와이어(11)의 직경이 0.6mm 인 경우, 정밀 3D 프린팅을 할 수 있으며, 1.2mm 경우 적층 두께가 커서 적층율을 향상시킬 수 있다.
한편, 제2와이어 혹은 스트립(41)이 스트립인 경우, 1mm 내지 3mm의 폭을 가질 수 있다. 제2와이어(41)의 폭이 1mm 미만인 경우, 스트립의 용융량이 적어 용착능이 떨어질 수 있으며, 한편, 스트립의 폭이 3mm를 초과하는 경우, 용착능은 향상되나 스트립의 용융을 위하여 높은 입열량을 줄 필요가 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(1)는 이동 조절부(50), 가스 조절부(60), 와이어 송급부(70), 전류 조절부(80) 및 제어부(90)를 더 포함할 수 있다.
이동 조절부(50)는 제1노즐부(10) 및 제2노즐부(30)를 X축, Y축 및 Z축으로 이동시키는 구성요소로서, 제어부(90)로부터 송신된 제어 신호에 따라, 제1노즐부(10) 및 제2노즐부(30)의 위치를 조절할 수 있다. 이때, 이동 조절부(50)는 제1노즐부(10) 및 제2노즐부(30)의 위치를 각각 조절할 수 있도록 형성될 수 있다. 이동 조절부(50)는 제2노즐부(30)가 제1노즐부(10)의 이동경로를 따라 이동하되, 지그재그로 위빙(Weaving)하며 이동되도록 조절할 수 있다. 위빙 운동하는 제2노즐부(30)가 이동하는 경우, 용융된 금속은 서냉되며 평평하게 응고될 수 있다.
한편, 제3노즐부(40)가 형성되는 경우, 이동 조절부(50)는 제3노즐부(40)의 위치도 함께 조절할 수 있다.
가스 조절부(60)는 제1가스 공급라인(14) 및 제2가스 공급라인(34)에 불활성 가스를 공급하는 구성요소로서, 제어부(90)로부터 송신된 제어 신호에 따라 불활성 가스의 속도를 조절할 수 있다. 이때, 불활성 가스는 순도 99.99%의 아르곤(Ar),는 헬륨(He)이며, 이외에 산소(O2), 이산화탄소(CO2) 또는 이들의 혼합일 수 있다.
더욱 상세하게, 가스 조절부(60)는 가스를 저장하는 가스실린더(61), 가스실린더(61) 및 제1가스 공급라인(14) 또는 제2가스 공급라인(34)과 각각 연결되는 이송관(62) 및 이송관(62)에 결합된 밸브(63)를 포함할 수 있으며, 밸브(63)는 제어 신호에 따라 구동되며, 이송관(62)의 유로를 차단하거나 개방할 수 있다.
와이어 송급부(70)는 제1노즐부(10)에 제1와이어(11)를 공급하는 구성요소로서, 제어부(90)로부터 송신된 제어 신호에 따라 제1와이어(11)의 공급 속도를 조절할 수 있다. 더욱 상세하게, 와이어 송급부(70)는 송급휠(71) 및 모터(72)에 의해 회전되며 제1와이어(11)의 이동을 유도하는 롤러(73)를 포함할 수 있다. 이때, 제1와이어의 일부는 송급휠(71)에 감겨지고, 다른 일부는 제1노즐부(10)에 삽입될 수 있으며, 또 다른 일부는 롤러(73)와 접촉될 수 있다. 한편, 모터(72)는 제어 신호에 따라 구동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제3노즐부(40)가 형성되는 경우, 제3노즐부(40)에 제2와이어 혹은 스트립(41)을 공급하는 별도의 와이어 송급부 혹은 스트립 송급부(미도시)가 더 구비될 수 있다.
전류 조절부(80)는 제1전극 내지 제3전극에 전류를 공급하는 구성요소로서, 제어부(90)로부터 송신된 제어 신호에 따라 전류 공급여부가 제어될 수 있다. 전류 조절부(80)는 제1전극과 제2전극이 서로 다른 전위를 갖도록 전류를 공급할 수 있으며, 제2전극과 제3전극이 서로 다른 전위를 갖도록 전류를 공급할 수 있다.
제어부(90)는 이동 조절부(50), 가스 조절부(60), 와이어 송급부(70) 및 전류 조절부(80)의 전반적인 동작을 제어하고, 데이터 처리 기능을 수행하는 구성요소이다.
본 발명에서 제어부(90)는 입력부(미도시) 또는 통신부(미도시)를 통해 사용자로부터 3차원 형상의 입체 조형물의 형상에 관한 데이터(3D CAD 모델 명령)를 입력받으면, 이를 미분하여 2차원 평면에 관한 데이터로 생성하고, 2차원 평면에 관한 데이터를 바탕으로 이동 조절부(50), 가스 조절부(60), 와이어 송급부(70) 및 전류 조절부(80)를 제어하기 위한 제어신호를 생성하여, 송신할 수 있다.
더욱 상세하게, 제어부(90)는 제1와이어(11)의 선단부의 위치에 따라 아크(A)의 길이를 판단할 수 있으며, 아크(A)의 길이를 고려하여, 전류 조절부(80) 및 이동 조절부(50)에 송신할 제어신호를 생성할 수 있다.
또한, 제어부(90)는 용융된 금속의 입열량(= (아크전압(V) x 아크전류(A))/제1노즐의 이동 속도(cm/sec))은 적층하고자 하는 금속재료에 따라 적절한 입열량이 되도록 아크전압 및 아크전류를 조정하며, 제1노즐부(10)의 이동 속도를 조절할 수 있다. 입열량이 작으면 3D 프린팅 적층부(22)의 용입 깊이가 얕고, 융합불량이 나올 수 있다. 한편, 입열량이 많으면3D 프린팅 적층부(22)의 용입깊이가 크며, 결정립의 크기가 커지고, 기계적 물성이 저하될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법을 나타낸 순서도이다.
사용자는 입력부에 3차원 형상의 입체 조형물의 형상에 관한 데이터를 입력한다. 제어부(90)는 입체 조형물의 형상에 관한 데이터를 바탕으로 제어 신호를 생성하여 각종 구성을 구동시키며, 프린트부재를 프린트할 수 있다.
더욱 상세하게, 제1전극 및 제2전극에 전류를 공급하여 아크(A)를 형성하고 아크 열로 제1와이어(11)의 선단부 및 적층부재(21)의 일부를 용융시키는 단계(S100)와, 제3전극에 전류를 공급하여, 아크(A’)를 형성하여 아크 열로 용융된 제1와이어(11)의 선단부와 적층부재(21)의 일부를 재열하여 표면 평탄화시키는 단계(S200)와, 용융된 제1와이어(11) 및/혹은 제 2 와이어 혹은 스트립의 선단부와 적층부재(21)의 일부가 혼합되어 응고되면서 단일층을 형성하는 단계(S300)와, 단일층 오버레이를 연속적으로 수행하여, 단일층을 적층하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
이때, 제1노즐부(10) 및 제2노즐부(30)는 이동 조절부(50)에 의해 위치가 조절되며, 제1와이어(11)는 와이어 송급부(70)에 의해 송급 속도가 조절되고, 제1전극 내지 제3전극은 전류 조절부(80)에 의해 전류를 공급받을 수 있다. 도 1 내지 도 8 중 적어도 하나에 도시된 3D 프린팅 장치(1)는, 입체 조형물을 제작하는 3D 장치라 칭할 수 있다. 도 8에 도시된 3D 프린팅 방법은, 입체 조형물을 제작하는 3D 프린팅 방법이라 칭할 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.
1 : 3 D 프린팅 장치
10 : 제1노즐부
20 : 작업대부
30 : 제2노즐부
40 : 제3노즐부
10 : 제1노즐부
20 : 작업대부
30 : 제2노즐부
40 : 제3노즐부
Claims (5)
- 제1전극이 연결된 전극접촉 팁에 의해 감싸지는 금속 재질의 제1 와이어를 공급하는 제1와이어 공급라인 및 상기 제1와이어 공급라인의 양측에 위치하며 상기 제1와이어의 공급방향으로 불활성 가스를 공급하는 제1가스 공급라인이 내부에 형성되는 제1노즐부와,
상기 제1노즐부의 하측에 일정간격 이격되어 배치되며, 제2전극이 연결된 적층부재가 안착 가능한 판상의 작업대부와,
상기 제1노즐부 후방에 일정 간격을 두고 평행하게 배치되며, 제3전극이 연결된 전극접촉 팁에 의해 감싸지는 텅스텐봉이 결합되고, 불활성 가스를 공급하는 제2가스 공급라인이 내부에 형성되는 제2노즐부를 포함하고,
상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 전위차에 의해 발생하는 아크(Arc) 열에 의해 상기 제1와이어의 선단부와 상기 적층부재의 일부가 동시 용융되어 2차원의 적층이 상기 작업대부에 일어나며,
상기 제2전극과 상기 제3전극의 전위차에 의해 아크가 발생되고, 상기 아크 열에 의해 상기 적층부재의 일부가 재열됨으로써, 상기 적층부재에 발생한 리플(ripple)의 평탄화가 이루어지며,
상기 제2노즐부는 상기 적층부재로 금속분말을 공급하는 분말 공급라인을 포함하고, 상기 분말 공급라인은 텅스텐봉과 제2가스 공급라인 사이에 위치하며,
상기 분말 공급라인으로부터 토출된 금속분말은 상기 제2전극과 상기 제3전극에 의해 발생된 아크 열에 의해 융해되어 슬러지 상태의 금속의 굴곡부위를 채우는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1노즐부와 동일 면상으로 전방에 위치하며 상기 제1노즐부와 예각을 이루도록 배치되고, 금속 재질의 제2 와이어를 공급하는 제2와이어 공급라인이 내부에 형성되는 하나 이상의 제3노즐부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅 장치. - 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 제1 와이어는,
솔리드 와이어와 금속분말 코어 와이어 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 제2 와이어는,
스트립, 솔리드 와이어, 그리고 금속분말 코어 와이어 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅 장치. - 제1항에 따른 3D 프린팅 장치를 이용한 3D 프린팅 방법에 있어서,
제1전극 및 제2전극에 전류를 공급하여 아크를 형성하고 아크 열로 제1와이어의 선단부 및 적층부재의 일부를 용융시키는 단계와,
제3전극에 전류를 공급하여, 아크를 형성하여 아크 열로 적층부재의 일부를 재열시킴으로써, 상기 적층부재에 발생한 리플(ripple)의 평탄화가 이루어지는 단계와,
용융된 제1와이어의 선단부와 적층부재의 일부가 혼합되어 응고되면서 단일층을 형성하는 단계와,
단일층 오버레이를 연속적으로 수행하여, 단일층을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅 방법.
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