KR102162555B1 - 3d 프린팅의 금속조직 미세화방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법에 관한 것으로서, 특히 기초를 이루는 금속의 밑면으로 냉매가 직접 접촉되도록 함으로써, 연속되는 금속의 적층시 신속한 냉각으로 용접 입열 에너지 누적을 방지하고 기계적 물성을 향상하는 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법에 관한 것이다. 구성은 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법에 있어서, (a) 냉각테이블에 형성된 기초를 이루는 타이타늄(Titanium) 또는 타이타늄 합금 금속의 상면으로 금속 와이어를 용융시켜 금속을 적층 하는 단계와; (b) 용접토치로 입열 에너지를 제공하여 금속 와이어를 용융 적층함과 동시에 상기 기초를 이루는 금속의 밑면으로 냉매를 금속이 침수(沈水, inundation)되도록 공급하여 금속의 적층시 발생하는 입열 에너지에 의한 온도를 급냉시켜 금속조직을 미세화하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법에 관한 것으로서, 특히 기초를 이루는 금속의 밑면으로 냉매가 직접 접촉되도록 함으로써, 연속되는 금속의 적층시 신속한 냉각으로 용접 입열 에너지 누적을 방지하고 기계적 물성을 향상하는 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린터에서 쓰이는 것과 유사한 적층 방식으로 금속 입체물을 제작하기 위해 3D 프린터(Three-Dimensional Printer)가 사용된다.
이러한 3D 프린터는, 기계 절삭 및 성형 등 기존의 생산 방식을 탈피하여 일괄된 방식으로 어떤 형태의 제품도 만들어낼 수 있기 때문에 치과 등의 의료 분야는 물론, 각종 가정용품을 비롯해 자동차나 비행기 등에 쓰이는 기계장치도 생산이 가능하다.
또, 3D 프린터는 선택적 레이저 소결(SLS : Selective Laser Sintering) 방식과 직접용착식(Direct Focused Deposition)이 대표적으로 사용되고 있다.
여기서, 상기 선택적 레이저 소결 방식은 미세한 분말을 도포해 굳히는 방식으로 물체를 만드는 것이고, 직접용착식은 플라스틱 또는 금속 소재의 필라멘트를 열로 녹여 압출한 후 상온에서 굳혀 물체를 쌓아올리는 적층 가공(Additive Manufacturing) 방식이다.
이와 같이 연속적인 적층 가공 방식에서 적층금속의 조직이 조대화 되는 현상을 방지하기 위해 적층된 금속에 롤러(Roller) 혹은 피닝(peening)을 통해 소성변형을 이루게 하거나, 적층되는 금속 성분에 미세합금을 첨가하거나 또는 적층이 완료된 후 적층금속을 열처리 하는 방법 등이 있다.
그러나 종래의 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법 중, 소성변형을 통해 금속 조직의 미세화를 수행하는 경우, 적층 가공(Additive Manufacturing) 공정 이외에 추가 공정이 발생하기 때문에 비용이 증가하는 문제점이 있었다.
또, 미세합금을 첨가하는 경우에 과도한 금속 조직의 조대화는 방지할 수 있으나 적층금속 전체로 균일한 미세화가 이루어지지 않고 규격화가 되어 있지 않아 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 종래에는 용접열원과 와이어형 금속을 사용하는 와이어 아크 적층 가공(Wire Arc Additive Manufacturing)공법 적용시 적층금속의 조직이 조대화되는 문제점이 있었다.
특히, 중량 대비 높은 기계적 강도를 가져 항공기 분야에 많이 사용되는 타이타늄 또는 타이타늄 합금의 경우, β상의 크기가 조대화되고 경우에 따라서는 수 ㎝ 크기까지 성장을 하게 되는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 3D 프린팅에서 와이어 아크 적층 가공(Wire Arc Additive Manufacturing)공법 적용시 냉매를 기초 금속의 하부에 직접 공급토록 하여 냉각속도를 빠르게 함으로써, 적층 금속 전체에 조직의 미세화가 이루어지도록 하는 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법에 있어서, (a) 냉각테이블에 형성된 기초를 이루는 타이타늄(Titanium) 또는 타이타늄 합금 금속의 상면으로 금속 와이어를 용융시켜 금속을 적층 하는 단계와; (b) 용접토치로 입열 에너지를 제공하여 금속 와이어를 용융 적층함과 동시에 상기 기초를 이루는 금속의 밑면으로 냉매를 금속이 침수(沈水, inundation)되도록 공급하여 금속의 적층시 발생하는 입열 에너지에 의한 온도를 급냉시켜 금속조직을 미세화하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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이상에서와 같은 본 발명은 기초를 이루는 금속의 밑면에 냉매를 직접 접촉시켜 냉각속도를 빠르게 함으로써, 연속적으로 적층되는 금속의 조직을 미세화하는 효과가 있다.
또, 조직이 미세해진 적층 금속으로 입체물을 형성할 경우, 입체물의 조직이 치밀해져 밀도가 상승하고, 이로 인해 기계적인 물성을 향상시키는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 연속적인 금속의 적층가공(Additive Manufacturing)과 동시에 냉각함으로써 소성변형과 같은 추가 공정을 생략할 수 있으므로 작업성 향상과 비용절감으로 경제적 이익을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 조직 미세화 방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각장치의 요부 확대도이다.
도 4는 본 발명에 따른 냉각장치의 다른 실시예로서 분사수단을 형성한 요부 확대도이다.
도 5는 본 발명에 따른 금속 조직 미세화 방법으로서 냉각장치의 분사수단을 이용하여 금속의 밑면으로 냉매를 공급하여 냉각시키는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 금속 조직 미세화 방법에 의해 미세화 되는 금속의 냉각속도를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각장치의 요부 확대도이다.
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도 5는 본 발명에 따른 금속 조직 미세화 방법으로서 냉각장치의 분사수단을 이용하여 금속의 밑면으로 냉매를 공급하여 냉각시키는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 금속 조직 미세화 방법에 의해 미세화 되는 금속의 냉각속도를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.
여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법은 (a) 냉각테이블(110)에 형성된 기초를 이루는 금속(200)의 상면으로 금속 와이어(310)를 용융시켜 금속(200n)을 적층 하는 단계와; (b) 용접토치(300)로 입열 에너지를 제공함과 동시에 상기 기초를 이루는 금속(200)의 밑면으로 냉매를 공급하여 금속(200n)의 적층시 발생하는 입열 에너지에 의한 온도를 급냉시켜 금속(200n) 조직을 미세화하는 단계; 로 대별되어 이루어진다.
먼저, 본 발명에 따른 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법에 사용되는 냉각장치(100)는 냉각테이블(110)과 냉매 이동로(120) 및 냉각기(130)로 대별되어 이루어진다.
상기 냉각테이블(110)은 중앙을 기준으로 가장자리 부분에 금속(200)을 안착하기 위한 안착부(미도시)가 형성되고, 상기 안착부의 하부에는 안착되는 기초 금속(200)을 지속적으로 냉각시키기 위해 넓이와 깊이를 갖는 냉매 수용공간(111)이 형성된다.
또, 상기 냉각테이블(110)의 중앙 부분에는 냉매를 공급하는 냉매 공급공간(112)이 형성된다.
그리고, 상기 냉매 공급공간(112)과 냉매 수용공간(111) 사이에는 공급되는 냉매의 이동을 위한 복수 개의 냉매 공급로(112a)가 형성된다.
또한, 상기 냉매 공급공간(112)의 상면으로는 추후 설명할 냉매 이동로(120)를 구성하는 냉매 공급로(121)의 일단부분을 수용하기 위한 냉매 공급로 결합구멍(미도시)이 형성된 덮개(113)가 결합과 분리 가능하도록 형성된다.
상기 덮개(113)의 일 측에는 냉각테이블(110)의 내부로 공급되는 냉매에 포함된 공기를 원활하게 배출시킬 수 있는 공기배출홀(113a)이 형성된다.
이에 따라, 상기 냉각테이블(110)의 내부에 존재하는 공기가 제거되어 공급되는 냉매의 순환을 더욱더 원활하게 이룰 수 있다.
상기 냉매 이동로(120)는 상기 냉각테이블(110)에 냉매를 공급하기 위한 냉매 공급로(121)와 열교환된 냉매를 회수하기 위한 냉매 회수로(122)로 이루어진다.
그리고, 상기 냉매 이동로(120)의 일 측에는 추후 설명할 냉각기(130)의 냉매저장탱크(131)에 저장된 냉매를 냉매 공급로(121)를 통해 냉매저장탱크(131)로 강제 순환시키기 위한 순환팬(미도시)이 설치되고, 상기한 순환팬은 냉매저장탱크(131)의 타일측에 설치된 모터(미도시)에 의하여 회전하도록 구성된다.
이러한 구성의 상기 냉매 이동로(120)는 냉매의 열손실을 최소화 하면서 공급과 회수를 지속적으로 이룰 수 있다.
상기 냉각기(130)는 냉매 이동로(120)를 통해 냉각테이블(110)의 냉매 수용공간(112)으로 냉매를 지속적으로 공급하기 위해 냉매를 저장하는 냉매저장탱크(131)와, 열교환되어 회수되는 냉매를 냉각시키기 위한 냉각유닛(132)으로 구성된다.
상기 냉매저장탱크(131)의 일측 상,하부에는 냉매를 냉각테이블(110)로 순환시키기 위한 냉매 유입구(131a)와 냉매 유출구(131b)가 형성 되어 있다.
상기 냉매저장탱크(131)의 냉매 유출구(131b)와 덮개(113)에 형성된 냉매 공급로 결합구멍(미도시)은 상기 냉매 이동로(120)를 구성하는 냉매 공급로(121)와 연결된다.
그리고, 상기 냉매저장탱크(131)의 냉매 유입구(131a)와 냉각테이블(110)의 냉매 수용공간(111)에 형성된 냉매 회수로 결합구멍(111a)은 상기 냉매 이동로(120)를 구성하는 냉매 회수로(122)와 연결된다.
이에 따라, 상기 냉매저장탱크(131)에 저장되어 있는 냉매는 냉매 이동로(120)를 통해 냉각테이블(110)로 공급되어 열교환작용을 한 후 냉매 회수로(122)를 통해 냉매저장탱크(131)로 회수되는 순환작동을 반복하게 된다.
상기 (a) 단계는 냉각테이블(110)에 형성된 기초를 이루는 금속(200)의 상면으로 금속 와이어(310)를 용융시켜 금속(200n)을 적층 한다.(S10)
즉, 상기 냉각장치(100)의 냉각테이블(110) 위에 장착된 기초를 이루는 금속(200)의 상면에 다른 금속(200n)을 적층한다.
좀 더 구체적으로 별도의 용접토치(300)를 이용하여 금속 와이어(310)를 용융시켜 기초를 이루는 금속(200)의 상면에 금속(200n)을 적층한다.
이때, 상기 용접토치(300)로부터 발생하는 입열 에너지에 의해 용융된 금속 와이어(310)는 하부에 위치하는 기초 금속(200)의 상면으로 적층되면서 일체를 이루고 입열 에너지의 공급이 중단되면 응고되어 하나의 금속(200n)을 형성하게 된다.
여기서, 상기 금속 와이어(310)는 다양한 금속이 적용될 수 있으나, 특히 타이타늄(Titanium) 또는 타이타늄 합금은 β 상의 크기가 경우에 따라서는 수 ㎝ 크기까지 성장을 하게 될 뿐만 아니라 중량 대비 높은 기계적 강도를 가지므로 본 발명에서는 타이타늄 또는 타이타늄 합금을 일예로서 사용하였다.
상기 (b) 단계는 용접토치(300)로 입열 에너지를 제공하여 금속 와이어(310)을 용융함과 동시에 상기 기초를 이루는 금속(200)의 밑면으로 냉매를 공급하여 금속(200n)의 적층시 발생하는 입열 에너지에 의한 온도를 급냉시켜 금속(200n) 조직을 미세화한다.(S20)
즉, 상기 용접토치(300)로 입열 에너지를 제공하여 금속 와이어(310)를 용융적층함과 동시에 냉각장치(100)를 구성하는 냉매저장탱크(131)의 일 측에 설치된 모터(미도시)를 동작시키면 순환팬(미도시)이 구동하면서 냉매가 냉매 공급로(121)를 통해 냉각테이블(110)의 냉매 공급공간(112)과 냉매 수용공간(113)으로 공급되어 상기 기초를 이루는 금속(200)의 밑면과 직접 접촉되면서 금속(200n)의 적층시 발생하는 용접입열(welding heat input : 용접부에 외부로부터 주어지는 열량)에 의한 온도를 신속하게 냉각시키게 된다.
여기서, 상기 냉매는, 기초를 이루는 금속(200)의 밑면이 냉매 수공공간(112)에 의해 침수(沈水, inundation)되도록 하거나, 또는 상기 냉각테이블(110)의 하부에 냉매를 기초 금속(200)의 밑면에 분사하기 위한 복수 개의 분사수단(114)을 형성하여 분사할 수 있다.
그리고, 상기 분사수단(114)은 노즐(nozzle : 액체 또는 기체를 고속으로 자유공간에 분출시키기 위해 유로 끝에 다는 가는 관.) 또는 스프링클러(sprinkler : 살수기)로 형성될 수 있다.
또, 상기 냉매를 이용한 냉각속도는 525℃/s ∼ 410℃/s 사이에서 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 냉매를 이용한 냉각속도가 525℃/s 이상으로 형성될 경우, 취성이 강한 마르텐사이트(Martensite) 조직이 형성되어 금속의 인성이 저하되는 문제점이 발생하게 되고, 상기 냉매를 이용한 냉각속도가 410℃/s이하로 형성될 경우 공냉에서와 같이 주상적 조직의 결정축에 따른 성장(epitaxial growth)으로 인해 미세조직이 수 ㎝로 조대화되지는 않지만 상대적으로 강도가 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명은 금속(200n)의 적층 가공(Additive Manufacturing)과 동시에 기초를 이루는 금속(200)의 밑면으로 냉매가 직접 접촉되도록 공급함으로써, 신속한 냉각이 이루어지므로 금속(200n)의 적층시 발생하는 입열 에너지가 누적되지 않고 온도 상승이 방지되어 조직의 미세화가 이루어져 별도의 추가 공정이 필요없기 때문에 비용 증가를 방지할 수 있다.
그리고, 상기 냉매(冷媒)로는 암모니아, 프레온(디클로로이플루오로메탄), 메틸클로라이드, 액체 헬륨, 액체 수소 또는 물 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같이 적층과 냉각을 동시에 진행하면서 금속(200n)의 적층을 반복함으로써 금속(200n) 조직의 미세화를 이루고 요구되는 두께를 형성한다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 동작을 반복함으로써 적층 금속(200n)을 신속하게 냉각시켜 조직의 미세화를 이루어 3D 프린팅을 위한 입체물의 밀도가 상승하게 되고, 이로 인해 별도의 후처리 공정 없이도 입체물의 기계적인 물성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : 냉각장치 110 : 냉각테이블
111 : 냉매 수용공간 111a : 냉매 회수로 결합구멍
112 : 냉매 공급공간 112a : 냉매 공급로
113 : 덮개 113a : 공기배출홀
114 : 분사수단 120 : 냉매 이동로
121 : 냉매 공급로 122 : 냉매 회수로
130 : 냉각기 131 : 냉매저장탱크
131a : 냉매 유입구 131b : 냉매 유출구
132 : 냉각유닛 200 : 기초 금속
200n : 적층금속 300 : 용접토치
310 : 금속 와이어
111 : 냉매 수용공간 111a : 냉매 회수로 결합구멍
112 : 냉매 공급공간 112a : 냉매 공급로
113 : 덮개 113a : 공기배출홀
114 : 분사수단 120 : 냉매 이동로
121 : 냉매 공급로 122 : 냉매 회수로
130 : 냉각기 131 : 냉매저장탱크
131a : 냉매 유입구 131b : 냉매 유출구
132 : 냉각유닛 200 : 기초 금속
200n : 적층금속 300 : 용접토치
310 : 금속 와이어
Claims (6)
- 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법에 있어서,
(a) 냉각테이블에 형성된 기초를 이루는 타이타늄(Titanium) 또는 타이타늄 합금 금속의 상면으로 금속 와이어를 용융시켜 금속을 적층 하는 단계와;
(b) 용접토치로 입열 에너지를 제공하여 금속 와이어를 용융 적층함과 동시에 상기 기초를 이루는 금속의 밑면으로 냉매를 금속이 침수(沈水, inundation)되도록 공급하여 금속의 적층시 발생하는 입열 에너지에 의한 온도를 급냉시켜 금속조직을 미세화하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅의 금속조직 미세화방법. - 삭제
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