KR102145356B1 - 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법 및 상기 방법에 의해 제작된 다공성 부품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 최소 용융풀(melt pool) 두께에 맞도록 단일 빔 경로(beam path)로 선택적 레이저 용융 적층 성형을 위한 레이저 스캔을 수행하는 것에 의해 다공성 부품을 제조하는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법 및 상기 방법에 의해 제작된 다공성 부품에 관한 것이다.
상술한 본 발명의 선택적 레이어 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법은, 금속입자 도포단계; 레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 기 설정된 해칭 간격(hatching distance)을 가지는 제1축에 평행한 경로들을 따라 조사하여 제1축 금속층을 성형하는 제1축 SLM 성형 단계; 상기 레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 기 설정된 해칭 간격을 가지는 제2축에 평행한 경로들을 따라 조사하여 제2축 금속층을 성형하는 제2축 SLM 성형 단계; 및 상기 레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 상기 제1축 또는 제2축과 기 설정된 하나 이상의 해칭 각도(hatching angle)로 교차하는 사선방향과 평행하고 기 설정된 해칭 간격을 가지는 사선 경로들을 따라 조사하여 사선 금속층을 성형하는 사선 SLM 성형 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 선택적 레이어 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법은, 금속입자 도포단계; 레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 기 설정된 해칭 간격(hatching distance)을 가지는 제1축에 평행한 경로들을 따라 조사하여 제1축 금속층을 성형하는 제1축 SLM 성형 단계; 상기 레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 기 설정된 해칭 간격을 가지는 제2축에 평행한 경로들을 따라 조사하여 제2축 금속층을 성형하는 제2축 SLM 성형 단계; 및 상기 레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 상기 제1축 또는 제2축과 기 설정된 하나 이상의 해칭 각도(hatching angle)로 교차하는 사선방향과 평행하고 기 설정된 해칭 간격을 가지는 사선 경로들을 따라 조사하여 사선 금속층을 성형하는 사선 SLM 성형 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 적층 성형 다공성 부품에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 최소 용융풀(melt pool) 두께에 맞도록 단일 빔 경로(beam path)로 선택적 레이저 용융 적층 성형을 위한 레이저 스캔을 수행하는 것에 의해 다공성 부품을 제조하는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법 및 상기 방법에 의해 제작된 다공성 부품에 관한 것이다.
일반적으로, 임플란트, 근골격계 재건 소재 등의 의료 소재, 촉매 소재, 기계 등의 표면에 동일 소재를 SLM(Selective Laser Melting)을 이용한 금속의 3차원 프린팅에 의해 수 um 크기 대의 홀을 가지는 다공성 구조를 가지도록 다공성 코팅층을 적층 성형하는 것에 의해, 탄성계수, 무게균형, 생체친화성, 접합성, 친수성, 발수성 등의 표면 특성을 향상시키는 기술이 적용되고 있다.
이러한 다공성 구조를 적층 성형하는 기술의 예로는, 미국 공개특허공보 US 2017-0014169호는 3D CT 데이터와 근육의 횡단면 데이터에 기초하여 환자 특성의 스트레스/스트레인 패턴을 조산한 후, 생체조직이나 기관과 잘 교합할 수 있도록 금속의 강성을 조절한 다공성 구조체를 SLM를 이용하여 3D 프린팅하는 기술을 개시한다.
또한, 미국등록특허 US 9,662,840호는 수정된 모델을 형성하기 위해 에너지 빔으로 소결함에 있어 드웰 시간을 레이저 스캔 경로, 해치라인, 용융 풀(melt pool)의 형성에 따라 조절하여 3차원 구조체를 3D 프린팅하는 적응적 3차원 프린팅 기술을 개시한다.
상술한 종래기술들의 경우, 적층 가능한 최소 용융 풀(melt pool) 두께로 구조체를 설계한 후 SLM을 적용하여 다공성 부품을 적층 성형한다. 따라서 종래기술들의 경우 다공성 지주(strut)의 형성을 위해 해칭(hatching) 전략이 적용되어 레이저가 다중 조사되면서 다공성 부품을 적층 성형하게 된다.
도 1은 종래기술의 SLM 다공성 구조체의 제조 시 다공성 구조체를 벌크(Bulk)로 인식하여 해칭 전략에 따라 레이저 스캔(scan)을 수행하는 것을 나타내는 도면이고, 도 2는 상술한 종래기술의 SLM을 이용한 3D 프린팅에 의해 형성된 다공성 부품의 설계, 제조 및 평가를 나타내는 도면이다.
상술한 종래기술들과 같이 해칭(hatching) 전략에 따라 다공성 지주(strut)를 형성하는 경우, 레이저가 도 1과 같이 다중 조사되면서 스캔을 수행하여 다공성 부품을 적층 성형하게 되고, 도 2와 같이, 두께 오차가 발생하게 되어, 단일 용융 풀을 지주(strut)로 활용할 수 없게 되는 문제점을 가진다.
즉, 종래기술의 다공성 부품 적층 성형 기술의 경우, 다공성 부품의 다공성 구조체를 벌크(bulk)로 인식하여 다공성 지주(strut)를 해칭(hatching) 전략에 따라 레이저를 다중 조사하여 성형하게 되므로 두께 오차가 발생하고, 단일 용융 풀(melt pool)을 지주로 적용할 수 없게 되어 단일 용융풀 두께를 갖는 다공성 부품 제조가 어렵게 되는 문제점을 가진다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공정조건 설정 시 용융 풀(melt pool) 이상의 해칭(hatching) 간격(100um 이상) 및 각도(180도 약수)를 설정하여 높은 표면적을 필요로 하는 다공성 부품을 두께 오차를 최소화하며, 단일 용융 풀을 지주(strut)로 활용할 수 있도록 하는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법 및 상기 방법에 의해 제작된 다공성 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 용융 풀의 최소 두께를 가지는 사선 방향의 레이저 스캔을 구현하는 것에 의해 정밀한 지주(strut)를 구현할 수 있도록 하여, 촉매 등의 높은 표면적을 요구하는 다공성 부품, 또는, 탄성계수, 무게 균형 등이 동시에 확보된 정밀 다공성 부품을 생산할 수 있도록 하는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법 및 상기 방법에 의해 제작된 다공성 부품을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법은,
금속입자 도포단계;
레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 기 설정된 해칭 간격(hatching distance)을 가지며 제1축에 평행한 경로들을 따라 조사하여 제1축 금속층을 성형하는 제1축 SLM 성형 단계;
상기 레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 기 설정된 해칭 간격을 가지며 제2축에 평행한 경로들을 따라 조사하여 제2축 금속층을 성형하는 제2축 SLM 성형 단계; 및
상기 레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 상기 제1축 또는 제2축과 기 설정된 하나 이상의 해칭 각도(hatching angle)로 교차하는 사선과 평행하며 기 설정된 해칭 간격을 가지는 사선 경로들을 따라 조사하여 사선 금속층을 성형하는 사선 SLM 성형 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 금속 입자는, 알칼리, 알칼리토금속, 란탄족, 악티늄족, 전이금속, 전이 후 금속, 준금속, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명에 따르면 상기 레이저는 단일 용융 풀(melt pool) 조사 및 단일 빔 경로(beam path) 조사를 수행하도록, 레이저의 조사 점이 용융풀의 두께로 조절되고, 상기 레이저가 이동하는 해칭 간격(hatching distance)은 상기 레이저 조사 점의 지름보다 크게 설정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 레이저는, 상기 금속입자의 완전 용융 에너지 이하의 범위에서 상기 완전 용융 에너지의 0.2배 이상의 에너지를 갖는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 해칭 간격(hatching distance)은 100 내지 1000㎛인 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 레이저 조사 점의 반지름은, 상기 레이저의 소스 파워 및 노출 시간에 비례하고, 상기 노출 시간은 상기 레이저의 스캔 속도에 반비례하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 레이저의 소스 파워는, 50W 내지 1KW이고 스캔 속도는 0.1m/s 내지 8 m/s인 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 해칭 각도는, 180°의 약수를 가지는 각도 중 하나 이상의 각도에 대하여 수행될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 상기 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법은, 상기 사선 SLM 성형 단계 이 후, 성형된 금속층의 높이가 기 설정된 높이에 도달하지 않은 경우 상기 금속입자 도포단계로 복귀하여 처리과정을 반복 수행하는 금속층 적층 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품은, 상술한 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명은, 공정조건 설정 시 용융 풀(melt pool) 이상의 해칭(hatching) 간격(100um 이상) 및 각도(180도 약수)를 설정하여 높은 표면적을 필요로 하는 다공성 부품을 두께 오차를 최소화하며, 단일 용융 풀을 지주(strut)로 활용할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 용융 풀의 최소 두께를 가지는 사선 방향의 레이저 스캔을 구현하는 것에 의해 정밀한 지주(strut)를 구현할 수 있도록 하여, 촉매 등의 높은 표면적을 요구하는 다공성 부품, 또는, 탄성계수, 무게 균형 등이 동시에 확보된 정밀 다공성 부품을 생산할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
도 1은 종래기술의 SLM 다공성 구조체의 제조 시 다공성 구조체를 벌크(Bulk)로 인식하여 레이저 스캔(scan)을 수행하는 것을 나타내는 도면.
도 2는 종래기술의 SLM을 이용한 3D 프린팅에 의해 형성된 다공성 부품의 설계, 제조 및 평가를 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따르는 레이저 조사 점의 해칭 간격의 범위를 나타내는 도면.
도 6은 제1축 SLM 성형 시의 레이저 조사 경로(a) 및 제1 SLM 성형 금속층(b)을 나타내는 도면.
도 7은 제1축 SLM 성형 및 제2축 SLM 성형 결과를 나타내는 사진.
도 8은 제1축 SLM 성형 및 제2축 SLM 성형 결과(a)과 사선 SLM 성형 결과(b)를 나타내는 도면.
도 2는 종래기술의 SLM을 이용한 3D 프린팅에 의해 형성된 다공성 부품의 설계, 제조 및 평가를 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따르는 레이저 조사 점의 해칭 간격의 범위를 나타내는 도면.
도 6은 제1축 SLM 성형 시의 레이저 조사 경로(a) 및 제1 SLM 성형 금속층(b)을 나타내는 도면.
도 7은 제1축 SLM 성형 및 제2축 SLM 성형 결과를 나타내는 사진.
도 8은 제1축 SLM 성형 및 제2축 SLM 성형 결과(a)과 사선 SLM 성형 결과(b)를 나타내는 도면.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
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 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법(이하, ‘다공성 부품 제조 방법’이라 함)의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 3과 같이, 본 발명의 다공성 부품 제조 방법은, 금속입자 도포단계(S10), 제1축 SLM 성형 단계(S20), 제2축 SLM 성형 단계(S30), 사선 SLM 성형 단계(S40), 금속층 적층 단계(S50)를 포함하여 구성될 수 있다.
이를 구체적으로 설명하면, 다공성 금속층이 형성될 임플란트, 다른 기계 부품 등의 성형 대상물의 표면 또는 다공성 금속층을 독립 생산하기 위한 기판 상에 금속 입자를 도포하는 금속입자 도포단계(S10)를 수행한다. 이때, 기판 상에 금속 입자를 도포하는 경우에는, 표면 성형 대상물의 표면에 다공성 부품으로서의 다공성 금속층을 성형하는 것이 아닌, 차후 기판으로부터 박리될 독립적인 다공성 부품으로서의 다공성 금속층의 성형을 수행하는 경우이다.
이때, 상기 금속 입자는 다공성 부품의 요구 특성에 따라 선택되는 것으로서, 알칼리, 알칼리토금속, 란탄족, 악티늄족, 전이금속, 전이후 금속, 준금속, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 일예로, 상기 다공성 금속층이 높은 생체적합성, 생체친화성, 부식 저항성을 가지는 것을 요구하는 경우에는 상기 금속 입자는 티타늄(Ti), 티타늄(Ti)계 합금, 코발트(Co), 코발트(Co)계 합금, 니켈(Ni), 니켈(Ni)계 합금, 지르코늄(Zr), 지르코늄(Zr)계 합금, 바륨(Ba), 바륨(Ba)계 합금, 마그네슘(Mg), 마그네슘(Mg)계 합금, 바나듐(V), 바나듐(V)계 합금, 철(Fe), 철(Fe)계 합금 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
금속입자 도포단계(S10)에 의해 금속 입자가 도포된 후에는 SLM 성형을 금속입자가 도포된 평면 또는 곡면을 구성하는 좌표축에서 직교하는 축 중 제1축에 대하여, 기 설정된 해칭 간격(hatching distance)을 가지며 제1축에 평행한 경로들을 따라 순차적으로 왕복 이동하며 레이저를 조사하여 제1축 금속층(다공성 금속층)을 성형하는 제1축 SLM 성형 단계(S20)가 수행된다.
제1축 SLM 성형 단계(S20)의 수행 후에는 제1축과 수직을 이루는 제2축에 대하여 기 설정된 해칭 간격(hatching distance)을 가지며 제2축에 평행한 경로들을 따라 순차적으로 왕복 이동하며 레이저를 조사하여 제2축 금속층(다공성 금속층)을 성형하는 제2축 SLM 성형 단계(S30)을 수행한다.
다음으로, 제1축 금속층과 제2축 금속층이 성형된 후 강도의 보강, 금속층에 형성되는 구멍의 크기의 조절 등이 필요한 경우, 상기 제1축 또는 제2축과 기 설정된 하나 이상의 해칭 각도(hatching angle)로 교차하는 사선과 평행하며 기 설정된 해칭 간격을 가지는 사선 경로들을 따라 SLM 성형을 수행하여 사선 금속층을 성형하는 사선 SLM 성형 단계(S40)를 수행한다.
이와 같이, 제1축 SLM 성형, 제2축 SLM 성형 및 사선 SLM 성형에 의해 다공성 금속층이 형성된 후에는 다공성 금속층의 높이가 기 설정된 높이를 가지도록 상술한 처리과정을 반복 수행하는 금속층 적층과정(S50)을 수행하게 된다.
상술한 처리과정에서 스캔라인(L, 도 6 참조)을 따라 조사되는 레이저는 일정한 반지름을 갖는 레이저 조사 점(P, 도 4 참조)을 형성하도록 하고, 레이저의 해칭 간격(hatching distance)은 레이저 조사 점(P)의 직경보다 크도록 조절된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따르는 레이저 조사 점(P)의 해칭 간격의 범위를 나타내는 도면이고, 도 5는 레이저의 소스파워와 스캔 속도에 따른 용융풀 두께의 변화를 나타내는 도면이고, 도 6은 제1축 SLM 성형 시의 레이저 조사 경로(a) 및 제1 SLM 성형 금속층(b)을 나타내는 도면이고, 도 7은 제1축 SLM 성형 및 제2축 SLM 성형 결과를 나타내는 사진이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 조사 점(P)의 반지름이 r인 경우, 레이저의 조사 경로 사이의 간격인 해칭 간격(hatching distance)(l)은 2r 보다 크도록 설정된다. 그리고 상기 레이저는 소스 파워와 노출시간 및 스캔 속도가 조절되어 조사된다.
도 5로부터, 레이저의 용융풀의 두께는 레이저의 소스 파워 및 노출시간에 비례함을 알 수 있다. 따라서 레이저의 조사 점의 반지름(r) 또한 레이저의 소스 파워 및 노출시간에 비례하게 된다. 그리고 레이저의 노출 시간은 스캔 속도에 반비례하게 되므로, 레이저의 조사 점의 반지름(r) 또한 스캔 속도에 반비례함을 알 수 있다.
도 4 및 도 6에서 해칭 간격(l)은 100 내지 1000㎛ 범위 내에서 설정되며, 레이저의 소스 파워는 50W 내지 1KW이고 스캔 속도는 0.1m/s 내지 8 m/s 범위를 가질 수 있다. 상술한 바와 같이 해칭 간격을 설정하는 이유로는. 해칭 간격이 100㎛ 미만인 경우 이보다 작게 형성되어야 하는 레이저 조사 점의 반지름(r)이 너무 작아져 가공성이 떨어지는 문제가 있고, 1000㎛를 초과하는 경우 레이저 조사 점의 반지름(r)이 그만큼 커져야 다공성 층의 형성이 가능하고 이를 위해서는 레이저 소스 파워가 증가되어야 하므로 바람직하지 않다. 또한 1000㎛를 초과하는 경우 생성된 다공성 층의 비표면적이 작아지는 문제도 있다.
그리고 레이저는 도포된 금속입자의 완전 용융 에너지 이하의 범위에서 완전 용융 에너지의 0.2배 이상의 에너지를 투입하여 다공성 금속층을 형성하게 된다. 이는 레이저가 상기 금속입자의 완전 용융 에너지의 0.2 배 미만의 에너지를 가지면 금속 입자가 전혀 용융되지 않아 성형할 수 없기 때문이다.
상술한 레이저의 소스 파워와 스캔 속도의 조건은 상기 금속입자의 종류 및 형성하고자 하는 다공성 층의 구조에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 순수 티타늄의 경우 고밀도 성형이 필요한 모재 층의 경우 단위 입방밀리미터당 5.5 내지 6.5 J 이상의 에너지가 제공되어야 하고, 이는 스캔 속도가 0.25 m/s인 조건에서 소스 파워가 100W이상인 범위에서 달성될 수 있다. 다공성 층을 형성할 때는 상기 금속입자의 완전 용융 에너지 이하의 에너지가 조사될 수 있으므로 같은 스캔 속도에서 소스 파워를 낮출 수 있다. 또한 레이저의 해칭 간격을 크게 하기 위해 소스 파워를 유지하면서 스캔 속도를 높이는 것도 가능하다. 다만 스캔속도가 너무 높아지면 레이저의 노출 시간이 짧아지고 레이저 조사 점의 직경이 너무 작아질 수 있으므로 상기한 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다.
상술한 도 4 내지 도 6의 설명과 같이 해칭 간격(l)과 조사 점의 반지름(r)을 가지는 레이저를 이용하여 제1축 SLM 성형을 수행하는 경우, 상기 레이저는 도 6의 (a)와 같이, 붉은 화살표로 표시되는 레이저스캔 경로(L)를 따라 제1축을 왕복하며 도포된 금속입자(M)들에 레이저를 조사하여 SLM 성형을 수행하게 된다. 즉, 레이저의 왕복 주행 사이의 간격인 해칭 간격(l)을 레이저의 직경(2r)보다 크게 설정하는 것에 의해 도 6의 (b)와 같이, SLM 성형 된 제1축 금속층(L1)을 구성하는 제1축 금속층 라인(1)들 사이에 다공성 구성을 형성할 수 있도록 하는 공간이 형성된다.
다음으로, 제2축 SLM 성형 단계(S30)가 수행되어 제1축 금속층(L1)을 형성하는 제1축 금속층 라인(1)들과 직각을 이루는 방향으로 제2축 금속층(L2)을 형성하는 제2축 금속층 라인(2)들이 성형 형성된다. 이에 따라, 도 7과 같은 단일 용융풀 조사에 의해 구현된 초정밀 다공성 구조체를 구성하는 다공성 금속층이 형성된다.
이때, 금속입자가 도포된 면의 축인 제1축과 제2축 각각은 금속층이 이루는 면의 X축과 Y축일 수 있으며, 금속층이 이루는 면에 대한 수직인 Z축은 금속층의 적층 방향일 수 있다.
도 8은 제1축 SLM 성형 및 제2축 SLM 성형 결과(a)와 사선 SLM 성형 결과(b)를 도식적으로 나타내는 도면이다.
상술한 바와 같이, 제1축 SLM 성형 단계(S20) 및 제2축 SLM 성형 단계(S30)의 수행 후에는, 사선 SLM 성형 단계(S40)가 수행되어 레이저가 제1축 또는 제2축과의 해칭 각도를 이루며 조사되어 사선 금속층 라인(3)들을 형성하는 것에 의해 사선 금속층(L3)을 형성하게 된다.
상술한 사선 SLM 성형 단계(S40)에서 레이저가 조사되는 해칭 각도는 180°의 약수를 가지는 각도 중 하나 이상의 각도를 가질 수 있다. 이와 같이 해칭 각도를 180°의 약수로 설정하는 이유는, 360°도를 균일하게 각도 분할한 균일 격자를 기준으로 약수를 설정하는 경우, 180°를 미러면으로 반복되기 때문이다.
상술한 특징을 가지는 사선 SLM 성형 단계(S40)에 의한 사선 금속층(L3)의 형성을 위해서는 해칭 각도를 달리하여 서로 다른 각도를 가지는 사선 SLM 성형이 여러 번 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예의 경우, 상술한 다공성 부품 제조를 위한 성형에서 제1축SLM 성형 단계(S10), 제2축 SLM 성형 단계(S20) 및 사선 SLM 성형 단계(S30)를 순차적으로 수행하는 것으로 하여 설명하였으나, SLM 성형은 금속입자가 도포된 평면 또는 곡면을 구성하는 좌표축에서 직교하는 서로 다른 제1축과 제2축 또는 사선 축(설정된 해칭 각도에 대응하는 축)대한 SLM 성형을 수행하는 것으로서 제1축, 제2축 또는 사선 축(사선 방향) 중 어느 하나에 대해 선택적으로 시작될 수 있으며 그 순서에는 제약되지 않는다.
상술한 바와 같이, 제1축 SLM 성형 단계(S20), 제2축 SLM 성형 단계(S30) 및 사선 SLM 성형 단계(S40)의 수행에 의해 다공성 금속층이 형성된 후에는, 다공성 금속층이 기설정된 적층 높이를 가지는지를 판단하고, 기설정된 적층 높이를 가지지않는 경우에는 금속입자 도포단계로 복귀하여 처리과정을 반복 수행하는 것에 의해 다공성 부품이 필요한 적층 높이를 가지도록 하는 금속층 적층단계(S50)를 수행한다. 이때, 다공성 금속층의 높이는 측정센서를 이용한 측정 방식 또는 최소의 단일 용융 풀 두께에 맞는 단일 빔 경로 SLM 성형 시 형성되는 기 저장된 금속층의 높이 값과 금속층 성형 횟수를 이용하여 연산에 의해 산출될 수 있다.
상술한 특징을 가지는 본 발명은 제1축 SLM 성형 단계(S20), 제2축 SLM 성형 단계(S30) 또는 사선 SLM 성형 단계(S40)에서 조사되는 레이저의 해칭 간격을 레이저 조사 점의 직경보다 크게 하고, 레이저의 조사 점을 최소 두께의 용융풀에 적합하도록 조절하는 것에 의해 단일 용융 풀(melt pool) 조사 및 단일 빔 경로(beam path) 조사를 수행하여 SLM 성형을 수행할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 단일 용융 풀(melt pool) 조사 및 단일 빔 경로(beam path) 조사와 함께 사선 SLM 성형을 수행하는 것에 의해 중공부의 크기를 정밀하게 조절하여 작게 할 수 있게 되어, 더욱 넓은 표면적을 가지는 다공성 부품을 제작할 수 있도록 한다.
이에 따라, 본 발명은 종래기술에서와 같이 SLM 성형을 위해 레이저 조사를 중복 수행하지 않게 되어 제1축 금속층(L1)과 제2축 금속층(L2) 및 사선 금속층(L3)을 형성하는 금속층 라인(1, 2, 3)들이 두께의 균일성을 유지할 수 있게 되므로 초정밀 다공성 구조체를 용이하게 형성할 수 있게 된다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
L1: 제1축 금속층
1: 제1축 금속층 라인
L2: 제2축 금속층
2: 제2축 금속층 라인
L3: 사선 금속층
3: 사선 금속층 라인
M: 금속입자
L: 레이저 스캔 경로
1: 제1축 금속층 라인
L2: 제2축 금속층
2: 제2축 금속층 라인
L3: 사선 금속층
3: 사선 금속층 라인
M: 금속입자
L: 레이저 스캔 경로
Claims (10)
- 금속입자 도포단계;
레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 기 설정된 해칭 간격(hatching distance)을 가지며 제1축에 평행한 경로들을 따라 조사하여 제1축 금속층을 성형하는 제1축 SLM 성형 단계;
상기 레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 기 설정된 해칭 간격을 가지며 제2축에 평행한 경로들을 따라 조사하여 제2축 금속층을 성형하는 제2축 SLM 성형 단계; 및
상기 레이저를 상기 금속입자가 도포된 면에서 상기 제1축 또는 제2축과 기 설정된 하나 이상의 해칭 각도(hatching angle)로 교차하는 사선과 평행하며 기 설정된 해칭 간격을 가지는 사선 경로들을 따라 조사하여 사선 금속층을 성형하는 사선 SLM 성형 단계;를 포함하는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 금속 입자는,
알칼리, 알칼리토금속, 란탄족, 악티늄족, 전이금속, 전이후 금속, 준금속, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 레이저는,
단일 용융 풀(melt pool) 조사 및 단일 빔 경로(beam path) 조사를 수행하도록, 레이저의 조사 점이 용융풀의 두께로 조절되고, 상기 레이저가 이동하는 레이저 스캔 경로 사이의 간격인 해칭 간격(hatching distance)은 상기 레이저 조사 점의 지름보다 크게 설정되는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 레이저는,
상기 금속입자의 완전 용융 에너지 이하의 범위에서 상기 완전 용융 에너지의 0.2배 이상의 에너지를 갖는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 해칭 간격(hatching distance)은 100 내지 1000㎛인 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 레이저는,
레이저 조사 점의 지름이 상기 레이저의 소스 파워 및 노출 시간에 비례하고, 상기 노출 시간은 상기 레이저의 스캔 속도에 반비례하도록 설정되는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 레이저는,
소스 파워 50W 내지 1KW를 가지고, 스캔 속도는 0.1m/s 내지 8 m/s로 조사되는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 해칭 각도는,
180°의 약수를 가지는 각도 중 하나 이상의 각도인 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 사선 SLM 성형 단계 이 후,
성형된 금속층의 높이가 기 설정된 높이에 도달하지 않은 경우 상기 금속입자 도포단계로 복귀하여 처리과정을 반복 수행하는 금속층 적층 단계;를 더 포함하는 선택적 레이저 용융 적층 성형을 이용한 다공성 부품 제조 방법. - 삭제
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