KR102205851B1 - 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린팅 방법 - Google Patents
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Abstract
제조정밀성이 개선되도록, 본 발명은 중앙부에 관통 형성된 중공부의 외주에 다공 금속의 기공률에 대응되는 비율로 혼합된 금속분말 및 발포제의 발포금속분말 혼합물이 공급되는 환형의 공급유로가 형성되고, 다공 금속의 단면에 대응되도록 설정된 레이어 경로를 따라 이동되며 상기 발포금속분말 혼합물을 토출하는 공급노즐부; 상기 공급노즐부와 중복되는 경로를 따라 동시에 이동되되, 상기 중공부를 통해 레이저를 조사하여 상기 발포금속분말 혼합물을 용융시키는 광원조사부; 및 상기 공급노즐부의 외주를 감싸며 구비되되 상기 공급노즐부로부터 토출된 상기 발포금속분말 혼합물의 이동을 안내하도록 분사된 쉴드가스가 유동되는 가이드노즐부를 포함하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터를 제공한다.
Description
본 발명은 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제조정밀성이 개선되는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린팅 방법에 관한 것이다.
일반적으로 다공성 금속이란 금속 재료 내부에 수많은 기공을 가진 다공질(porous)의 소재를 일컫는다. 이러한 다공성 금속은 대표적인 경량소재로 높은 차음/흡음성, 충격흡수성, 압축성 및 전자파 차폐성, 기계가공성 및 열전도성이 우수하며, 밀도를 변화시켜 광범위한 강도를 지니게 할 수 있는 특성이 있다.
그리고, 다공성 금속은 다양한 산업 환경에 범용적으로 사용되고 있으며, 특히 구조재료, 차음재료, 방진재료, 열교환기, 충격흡수 및 완충재료, 단열재료, 필터재료, 흡음재료, 생체재료, 진동흡수 재료 등으로 널리 사용되고 있다.
한편, 종래에는 다공성 금속을 제조하기 위한 다양한 제조방법이 개시되어 있다. 상세히, 종래의 다공성 금속은 용탕가스주입법(melt gas injection), 용탕발포법(melt foaming), 소실주형법(investment casting) 등의 용융금속에 가스, 발포제를 주입하거나 몰드에 용융금속을 채우는 방식인 용융금속 이용법으로 제조되었다. 또한, 종래의 다공성 금속은 반응고금속 발포법(semi-solid foaming) 등의 금속분말과 발포제를 혼합한 분말원료의 성형체를 이용하는 방식인 분말소결체 이용법으로도 제조되었다. 그리고, 종래의 다공성 금속은 하이드로겔(hydrogel)법, 중공금속구 소결법 등의 스페이스 홀더법으로도 제조되었으며, 주형주조법(mold casting), 연속대 용해법(continuous zone melting), 연속주조법(continuous casting) 등의 일방향 응고법으로도 제조되었다.
이러한 다공성 금속은 기공의 구조에 따라 분류되며, 기공이 외부와 연통되는 개포형(open-cell)과, 기공이 금속 내부에 형성되는 폐포형(closed-cell)으로 분류될 수 있다.
그러나, 종래의 다공성 금속 제조방법은 금속의 1차 제조 이후 제조하고자 하는 형상으로 가공되기 위한 후가공이 반드시 요구되며 다품종 소량생산이 실질적으로 어려워 복잡한 구조의 금속 성형물의 제조시 제조성이 저하되는 문제점이 있었다.
특히, 3차원 프린팅을 이용한 다공성 금속의 제조시 생산 가능한 다공성 금속의 구조가 개포형 구조에만 국한되어 있는 실정이며, 종래의 다공성 금속 제조방법으로는 다공성 금속의 국부적인 일부분에만 선택적으로 폐쇄형 기포를 생성할 수 없는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 제조정밀성이 개선되는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린팅 방법을 제공하는 것을 해결과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 중앙부에 관통 형성된 중공부의 외주에 다공 금속의 기공률에 대응되는 비율로 혼합된 금속분말 및 발포제의 발포금속분말 혼합물이 공급되는 환형의 공급유로가 형성되고, 다공 금속의 단면에 대응되도록 설정된 레이어 경로를 따라 이동되며 상기 발포금속분말 혼합물을 토출하는 공급노즐부; 상기 공급노즐부와 중복되는 경로를 따라 동시에 이동되되, 상기 중공부를 통해 레이저를 조사하여 상기 발포금속분말 혼합물을 용융시키는 광원조사부; 상기 공급노즐부의 외주를 감싸며 구비되되 상기 공급노즐부로부터 토출된 상기 발포금속분말 혼합물의 이동을 안내하도록 분사된 쉴드가스가 유동되는 가이드노즐부; 및 상기 광원조사부로부터 조사된 레이저 조사경로의 외측 및 상기 중공부의 내주 테두리 사이에 구비되되 상기 발포금속분말 혼합물의 이동을 안내하도록 동축가스를 분사하는 동축가이드노즐부를 포함하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터를 제공한다.
또한, 본 발명은 금속분말에 제조하고자 하는 다공 금속의 기공률에 대응되는 비율로 발포제가 주입되어 교반부에 의해 교반된 발포금속분말 혼합물이 준비되어 저장부에 저장되는 제1단계; 다공 금속의 단면에 대응되도록 설정된 레이어 경로를 따라 상기 발포금속분말 혼합물을 토출하는 공급노즐부가 이동되어 금속 레이어가 형성되되, 상기 공급노즐부와 중복되는 경로를 따라 동시에 이동되는 광원조사부에 의해 레이저가 조사되어 상기 발포금속분말 혼합물이 용융되어 멜트풀이 형성되는 제2단계; 및 급속 응고된 상기 멜트풀의 상부를 따라 상기 공급노즐부 및 상기 광원조사부가 이동되어 상기 금속 레이어가 다단 적층되는 제3단계를 포함하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린팅 방법을 제공한다.
상기의 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 금속분말 및 발포제가 교반된 발포금속분말 혼합물이 금속 레이어의 대상영역마다 상이하게 설정된 기공률에 대응되는 비율로 실시간 교반되어 공급노즐부를 통해 토출됨에 따라 다공 금속의 각 단면에 상이한 크기의 폐쇄형 기포를 형성시킬 수 있으므로 제조정밀성이 현저히 개선될 수 있다.
둘째, 반경방향 내측으로 경사지게 형성된 공급유로를 통해 토출되는 발포금속분말 혼합물이 공급유로의 외주를 감싸며 형성된 제1분사유로를 통해 분사되는 쉴드가스에 의해 가이드되어 레이저 조사지점에 집중 공급됨에 따라 정밀한 멜트풀이 형성되므로 최종 제조되는 다공 금속의 품질이 현저히 개선될 수 있다.
셋째, 공급유로의 내측에 연통된 제2분사유로를 통해 분사되는 동축가스에 의해 발포금속분말 혼합물이 레이저 조사경로 내부로의 유입이 미연에 방지되므로 발포금속분말 혼합물의 비산이 방지되며 공급노즐부 토출단에 금속이 응고됨에 따른 고장이 방지되어 제조정밀성 및 내구성이 현저히 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터를 나타낸 사용예시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터를 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린팅 방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터를 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린팅 방법을 나타낸 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린팅 방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터를 나타낸 사용예시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터를 나타낸 블록도이다.
도 1 내지 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터(100)는 저장부(10), 공급노즐부(20), 광원조사부(30), 및 가이드노즐부(40)를 포함한다.
한편, 상기 저장부(10)는 금속분말저장부(11)와, 발포제저장부(12)와, 금속분말 및 발포제가 교반된 발포금속분말 혼합물(a)이 저장되는 혼합물저장부(13)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 금속분말저장부(11)에는 금속분말이 1차 저장될 수 있으며, 상기 발포제저장부(12)에는 발포제가 1차 저장될 수 있다.
여기서, 상기 금속분말은 알루미늄 등의 금속이 분말화되어 구비될 수 있으며, 본 발명의 일실시예에서 상기 금속분말이 AlSi12로 구성됨을 예로써 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 발포제는 ZrH2, TiH2, Na2CO3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나로 구성될 수 있다. 이때, 상기 발포제가 상기 금속분말과 마찬가지로 고체인 경우 분말화되어 구비될 수 있다.
그리고, 상기 혼합물저장부(13)는 상기 금속분말저장부(11) 및 상기 발포제저장부(12)에 1차 저장된 상기 금속분말 및 상기 발포제가 상호간 혼합되도록 이송되기 위해 상기 금속분말저장부(11) 및 상기 발포제저장부(12)에 연결될 수 있다.
여기서, 상기 금속분말저장부(11)와 상기 혼합물저장부(13) 사이, 및 상기 발포제저장부(12)와 상기 혼합물저장부(13) 사이를 각각 연결하는 복수개의 파이프라인이 구비될 수 있다. 이때, 각 상기 파이프라인에는 밸브(미도시)가 구비되어 상기 금속분말저장부(11)에 저장된 상기 금속분말 및 상기 발포제저장부(12)에 저장된 상기 발포제가 각각 선택적으로 상기 혼합물저장부(13)로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터(100)는 교반부(14)와, 공급제어부(15)를 더 포함함이 바람직하다. 여기서, 상기 교반부(14)는 상기 혼합물저장부(13)로 이송된 상기 금속분말 및 상기 발포제를 교반하여 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 준비되도록 구비될 수 있다. 이때, 상기 발포금속분말 혼합물(a)이라 함은 상기 금속분말 및 상기 발포제가 다공 금속의 기공률에 대응되는 비율로 혼합된 혼합물로 이해함이 바람직하다.
또한, 상기 공급제어부(15)는 다공 금속의 각 단면마다 상이하게 설정된 기공률에 대응되는 비율로 실시간 교반되도록 상기 혼합물저장부(13)에 공급되는 상기 금속분말 및 상기 발포제의 비율을 공급제어함이 바람직하다.
즉, 상기 금속분말 및 상기 발포제가 균일한 비율로 상호간 교반되어 상기 공급노즐부(20)를 통해 토출되는 것이 아니라, 제조하고자 하는 다공 금속의 각 단면마다 상이한 기공률로 다공이 형성될 수 있도록 상기 금속분말 및 상기 발포제 간의 혼합 비율이 실시간으로 상이하게 설정되어 토출됨이 바람직하다.
이를 통해, 제조하고자 하는 다공 금속의 단면마다 상이한 기공률의 다공이 형성되도록 상기 금속분말 및 상기 발포제가 대상영역별로 설정된 기공률에 대응되어 실시간 교반될 수 있다.
따라서, 상기 금속분말 및 상기 발포제가 교반된 발포금속분말 혼합물(a)이 금속 레이어의 대상영역마다 상이하게 설정된 기공률에 대응되는 비율로 실시간 교반되어 상기 공급노즐부(20)를 통해 토출됨에 따라 제조하고자 하는 다공 금속의 각 단면에 상이한 크기의 폐쇄형 기포를 형성시킬 수 있으므로 제품의 제조정밀성이 현저히 개선될 수 있다.
한편, 상기 공급노즐부(20)에는 중앙부에 관통 형성된 중공부(21)의 외주에 다공 금속의 기공률에 대응되는 비율로 혼합된 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 공급되는 환형의 공급유로(22)가 형성됨이 바람직하다.
여기서, 상기 공급노즐부(20)는 중공형 호퍼 형상, 즉 깔대기 형상 또는 하부로 배치되는 첨단부가 커팅된 원뿔 형상 등으로 구비되도록 하측으로 갈수록 단면적 및 직경이 협소화됨이 바람직하다. 상세히, 상기 공급노즐부(20)의 상부에서 상하방향 중앙부 사이는 기설정된 동일한 직경으로 형성된 단면이 연장될 수 있으며, 상기 공급노즐부(20)의 상하방향 중앙부에서 하부 사이는 하측으로 갈수록 직경이 감소되는 형태로 단면이 경사지게 연장될 수 있다.
그리고, 상기 공급노즐부(20)의 반경방향 내측에는 상기 중공부(21)가 상하방향으로 관통 형성됨이 바람직하다. 또한, 상기 공급노즐부(20)에는 상기 중공부(21)를 감싸는 제1격벽부가 형성됨이 바람직하다. 여기서, 상기 중공부(21) 및 상기 제1격벽부는 상기 공급노즐부(20)의 호퍼 형상에 대응되는 형태로 형성됨으로 이해함이 바람직하다. 즉, 상기 중공부(21)의 외곽 테두리를 형성하는 상기 제1격벽부가 하측으로 갈수록 직경이 감소되는 형태로 단면이 경사지게 연장될 수 있다.
또한, 상기 중공부(21)의 직경은 상기 광원조사부(30)에 의해 상하방향으로 조사되는 레이저 조사경로(k)의 직경을 초과하도록 형성됨이 바람직하다. 상세한 설명은 후술된다.
그리고, 상기 중공부(21)의 외주에는 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 공급되도록 상기 저장부(10)의 혼함물저장부(13)와 연결되는 환형의 상기 공급유로(22)가 상기 공급노즐부(20)의 원주방향을 따라 형성됨이 바람직하다. 즉, 상기 공급유로(22)는 상기 제1격벽부의 반경방향 외측에 형성되되 상기 제1격벽부를 감싸는 형태로 형성되며, 상기 중공부(21) 및 상기 공급유로(22)가 상기 제1격벽부에 의해 구획됨이 바람직하다.
또한, 상기 제1격벽부의 외주에는 상기 제1격벽부를 감싸는 형태로 형성되되 상기 제1격벽부와 기설정된 간격으로 이격되는 제2격벽부가 형성됨이 바람직하다. 여기서, 상기 제1격벽부 및 상기 제2격벽부 사이에 상기 공급유로(22)가 상기 공급노즐부(20)의 원주방향을 따라 환형으로 형성되되, 상하방향으로 연통됨으로 이해함이 바람직하다. 이때, 상기 제1격벽부 및 상기 제2격벽부 사이의 반경방향 간격이 상기 중공부(21)의 직경 이하로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 공급유로(22)는 상술된 상기 공급노즐부(20)의 호퍼 형상에 대응되어 하측으로 갈수록 반경방향 내측으로 경사지게 형성됨이 바람직하다. 이에 따라, 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 상기 공급유로(22)를 따라 유동되어 하부로 토출되면 멜트풀(p)의 형성영역에 집중되며 공급될 수 있다.
한편, 상기 공급노즐부(20)의 하부는 멜트풀(p)의 형성영역과 상하방향으로 이격되도록 수평방향으로 커팅된 형상으로 구비됨이 바람직하다. 이때, 상기 공급노즐부(20)가 하측으로 갈수록 경사지게 직경이 감소되며 하향 연장되되 하부의 기설정된 위치에서 수평방향으로 커팅됨으로 이해함이 바람직하다.
여기서, 경사진 형태로 형성된 상기 공급유로(22)를 통해 유동되는 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 중력 및 관성에 의해 상기 공급노즐부(20)의 반경방향 중심점, 즉, 상기 광원조사부(30)에 의해 조사된 레이저의 도달지점으로 집중 공급됨이 바람직하다. 이때, 상기 레이저의 도달지점에 상기 멜트풀(p)이 형성됨으로 이해함이 바람직하다.
이에 따라, 중공형 호퍼 형상, 즉 깔대기 형상으로 구비되는 상기 공급노즐부(20)의 테두리측에 환형으로 형성되는 상기 공급유로(22)를 통해 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 상기 광원조사부(30)에 의해 조사된 레이저의 도달지점, 즉 멜트풀(p)의 형성영역으로 집중 공급될 수 있다.
그리고, 상기 공급유로(22)를 통해 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 토출시, 토출이 원활하게 진행되도록 파우더가스가 상기 발포금속분말 혼합물(a)과 동시에 상기 공급유로(22)를 통해 토출될 수 있다. 이를 위해, 상기 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터(100)는 파우더가스를 분사하는 가스분사부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 가스분사부(미도시)는 상기 공급유로(22)를 통해 분사되는 파우더가스와, 후술되는 제1분사유로(41)를 통해 분사되는 쉴드가스와, 제2분사유로를 통해 분사되는 동축가스를 개별적으로 분사하도록 펌프 등으로 구비됨이 바람직하다. 이때, 상기 가스분사부(미도시)는 상기 가이드노즐부(40)의 상부에 구비될 수 있으나, 배치 위치가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 파우더가스, 쉴드가스, 및 동축가스는 분사되는 위치에 따라 상이한 명칭으로 명명되었으나, 각 가스가 상호간 동일한 소재의 가스로 구비될 수도 있으며 상이한 소재의 가스로 구비될 수도 있다.
한편, 상기 공급노즐부(20)는 다공 금속의 단면에 대응되도록 설정된 레이어 경로를 따라 이동되며 상기 공급유로(22)를 통해 상기 발포금속분말 혼합물(a)을 토출함이 바람직하다.
여기서, 상기 다공 금속의 단면이라 함은 상기 공급노즐부(20) 및 상기 광원조사부(30)에 의해 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 토출 및 용융되어 다단 적층됨에 따라 형성되는 다공 금속의 각 단면으로 이해함이 바람직하다. 또한, 상기 레이어 경로라 함은 제조하고자 하는 다공 금속의 형상에 대응되어 상기 공급노즐부(20) 및 상기 광원조사부(30)가 이동되는 경로로 이해함이 바람직하다.
그리고, 상기 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터(100)는 상기 공급노즐부(20) 및 상기 광원조사부(30)가 설정된 레이어 경로를 따라 이동되도록 이송시키는 이송부(미도시)와, 상기 이송부(미도시)가 수평방향 및 상하방향으로 이동되도록 제어하는 이송제어부(미도시)를 더 포함함이 바람직하다. 이에 따라, 상기 이송제어부(미도시)를 통해 상기 이송부(미도시)가 x,y,z축 각각으로 설정된 좌표경로, 즉 레이어 경로를 따라 이동됨에 따라 상기 공급노즐부(20) 및 상기 광원조사부(30)가 이동될 수 있다.
또한, 상기 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터(100)는 상면에 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 용융된 멜트풀(p)이 용융 및 응고되어 적층되는 플레이트부(60)를 더 포함함이 바람직하다.
여기서, 상기 플레이트부(60)는 상기 광원조사부(30)로부터 조사된 레이저 조사경로(k)와 실질적으로 수직으로 배치되며, 상기 공급노즐부(20)의 수평방향으로 커팅된 하단부와 기설정된 간격으로 이격 배치됨이 바람직하다.
한편, 상기 광원조사부(30)는 상기 공급노즐부(20)와 중복되는 경로를 따라 동시에 이동되되, 상기 중공부(21)를 통해 레이저를 조사하여 상기 발포금속분말 혼합물(a)을 용융시키도록 구비됨이 바람직하다.
여기서, 상기 광원조사부(30)는 상기 중공부(21)의 상부에 대응되는 상기 공급노즐부(20)의 반경방향 내측 상부에 구비됨이 바람직하다. 이때, 상기 광원조사부(30)로부터 조사된 레이저가 상기 중공부(21)를 관통하여 상기 플레이트부(60)의 상면 또는 응고된 다공 금속의 상면에 조사됨이 바람직하다. 또한, 상기 광원조사부(30)로부터 레이저가 조사됨에 따라 상기 중공부(21)의 반경방향 내측에 상기 레이저 조사경로(k)가 형성됨이 바람직하다.
이를 통해, 상기 공급노즐부(20)의 공급유로(22)로부터 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 상기 플레이트부(60)의 상면 또는 응고된 다공 금속의 상면으로 공급됨과 동시에, 상기 광원조사부(30)로부터 레이저가 상기 플레이트부(60)의 상면 또는 응고된 다공 금속의 상면으로 조사됨에 따라 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 용융되어 상기 멜트풀(p)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 공급노즐부(20)가 상기 발포금속분말 혼합물(a)을 토출하고 상기 광원조사부(30)가 레이저를 조사하는 상태에서 상기 공급노즐부(20) 및 상기 광원조사부(30)가 설정된 레이어 경로를 따라 이송됨에 따라 다공 금속이 3차원 프린팅 될 수 있다. 즉, 상기 플레이트부(60)의 상면 또는 다공 금속의 상면에 상기 광원조사부(30)를 통해 레이저가 조사됨과 동시에 상기 공급유로(22)를 통해 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 레이저가 조사되는 상기 플레이트부(60)의 상면 또는 다공 금속의 상면으로 토출되면 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 용융되어 멜트풀(p)이 형성될 수 있다.
한편, 상기 가이드노즐부(40)는 상기 공급노즐부(20)의 외주를 감싸며 구비되되, 상기 가이드노즐부(40)에는 상기 공급노즐부(20)로부터 토출된 상기 발포금속분말 혼합물(a)의 이동을 안내하도록 분사된 쉴드가스가 유동됨이 바람직하다.
여기서, 상기 가이드노즐부(40)는 상술된 상기 공급노즐부(20)의 호퍼 형상에 대응되어 하측으로 갈수록 반경방향 내측으로 경사지게 형성됨이 바람직하다. 즉, 상기 가이드노즐부(40)는 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 용융된 멜트풀(p)의 형성영역이 집중되도록 상하방향 중앙부로부터 하측으로 갈수록 직경 및 단면적이 협소화됨이 바람직하다.
그리고, 상기 가이드노즐부(40)의 내부에는 쉴드가스가 분사되도록 환형으로 제1분사유로(41)가 형성됨이 바람직하다. 이때, 상기 제1분사유로(41)가 상기 공급노즐부(20)의 호퍼 형상에 대응되어 하측으로 갈수록 반경방향 내측으로 경사지게 형성됨으로 이해함이 바람직하다.
여기서, 상기 가스분사부(미도시)를 통해 쉴드가스가 상기 제1분사유로(41)로 토출됨이 바람직하다. 이때, 상기 가스분사부(미도시)로부터 분사된 쉴드가스가 상기 제1분사유로(41)를 통과하여 하부로 토출됨이 바람직하다.
이에 따라, 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 상기 공급유로(22)를 따라 유동되어 하부로 토출시, 토출되는 상기 발포금속분말 혼합물(a)의 반경방향 외측을 감싸며 쉴드가스가 하측 및 반경방향 내측 사이의 경사진 방향으로 분사됨에 따라 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 가이드되어 상기 멜트풀(p)의 형성영역에 집중 공급될 수 있다. 즉, 상기 제1분사유로(41)를 통해 토출되는 쉴드가스에 의해 상기 공급유로(22)를 통해 토출되는 상기 발포금속분말 혼합물(a)의 반경방향 외측으로의 이탈이 방지될 수 있다.
따라서, 반경방향 내측으로 경사지게 형성된 상기 공급유로(22)를 통해 토출되는 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 상기 공급유로(22)의 외주를 감싸며 형성된 상기 제1분사유로(41)를 통해 분사되는 쉴드가스에 의해 가이드되어 레이저 조사지점에 집중 공급됨에 따라 정밀한 멜트풀(p)이 형성되므로 최종 제조되는 다공 금속의 품질이 현저히 개선될 수 있다.
한편, 상기 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터(100)는 상기 광원조사부(20)로부터 조사된 레이저 조사경로(k)의 외측 및 상기 중공부(21)의 내주 테두리 사이에 구비되되 상기 발포금속분말 혼합물(a)의 이동을 안내하도록 동축가스를 분사하는 동축가이드노즐부(50)를 더 포함함이 바람직하다.
여기서, 상기 동축가이드노즐부(50)에는 상기 공급노즐부(20)로부터 토출된 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 상기 광원조사부(30)에서 조사된 레이저의 레이저 조사경로(k) 내부로의 유입을 방지하는 동축가스가 분사되도록 환형으로 제2분사유로가 형성됨이 바람직하다.
그리고, 상기 가스분사부(미도시)는 상기 제2분사유로를 통해 분사되는 동축가스를 분사하도록 구비됨이 바람직하다. 상세히, 상기 동축가이드노즐부(50)는 상기 중공부(21)를 감싸는 제1격벽부로 이해함이 바람직하며, 상기 제2분사유로는 상기 제1격벽부 내주면 및 상기 레이저 조사경로(k) 외측 사이에 상하방향으로 연통된 공간으로 이해함이 바람직하다.
즉, 상기 중공부(21)의 반경방향 내측에는 상기 광원조사부(30)를 통해 조사된 레이저가 통과되는 레이저 조사경로(k)가 상하방향으로 형성되며, 상기 중공부(21)의 반경방향 외곽측에는 상기 동축가스가 분사되는 환형의 상기 제2분사유로가 형성됨이 바람직하다. 이때, 본 발명의 일실시예에서 상기 레이저 조사경로(k) 및 상기 제2분사유로가 상호간 연통된 형태로 도시 및 설명됨으로 이해함이 바람직하다.
여기서, 상기 공급유로(22)를 통해 토출되는 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 반경방향 내측으로 비산됨에 따라 레이저 조사경로(k) 내부로 유입되면 상기 플레이트부(60)의 상면 및 상기 공급노즐부(20) 사이의 공간에서부터 상기 발포금속분말 혼합물(a)의 용융 및 응고가 시작될 우려가 있다. 이에 따라, 3차원 프린팅 과정에서 잘못된 위치에서 응고된 상기 발포금속분말 혼합물(a)에 의해 상기 공급노즐부(20)의 이동이 제한되거나, 상기 공급노즐부(20)의 토출부가 상기 발포금속분말 혼합물(a)에 의해 막히는 등 장치에 오류가 발생될 우려가 있다.
따라서, 상기 제1격벽부 내주면 및 상기 레이저 조사경로(k) 외측 사이에 상하방향으로 연통된 상기 제2분사유로를 통해 분사되는 동축가스에 의해 상기 공급노즐부(20)로부터 토출된 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 레이저 조사경로(k) 내부로의 유입이 미연에 방지된다. 이에 따라, 상기 발포금속분말 혼합물(a)의 비산이 방지되며 상기 공급노즐부(20) 토출단에 금속이 응고됨에 따른 고장이 방지되어 제조정밀성 및 내구성이 현저히 개선될 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린팅 방법을 나타낸 흐름도이다. 이하에서, 본 발명의 일실시예에 따른 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린팅방법을 설명한다.
먼저, 상기 금속분말에 제조하고자 하는 다공 금속의 기공률에 대응되는 비율로 상기 발포제가 주입되어 상기 교반부(14)에 의해 교반된 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 준비되어 상기 저장부(10)에 저장된다(s10).
여기서, 상기 금속분말이 상기 금속분말저장부(11)에 저장되는 단계와, 상기 발포제가 상기 발포제저장부(12)에 저장되는 단계와, 상기 금속분말저장부(11) 및 상기 발포제저장부(12)에 저장된 상기 금속분말 및 상기 발포제가 상기 공급제어부(15)에 의해 상기 혼합물저장부(13)로 이송되어 교반되되, 상기 교반부(14)에 의해 다공 금속의 각 단면마다 상이하게 설정된 기공률에 대응되는 비율로 실시간 교반되어 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 형성되는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일실시예에서 상기 금속분말은 AlSi12로 구성될 수 있으며, 상기 발포제는 ZrH2, TiH2, Na2CO3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나로 구성될 수 있다. 물론, 경우에 따라 상기 발포제는 ZrH2, TiH2, Na2CO3, 폴리비닐알콜, 폴리우레탄, 폴리초산비닐, 페놀수지, 셀룰로스, 인산나트륨, 염화나트륨, 염화칼슘, 초산나트륨, 염화제2철 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나로 구성될 수도 있다.
그리고, 상기 저장부(10)에 주입된 상기 발포제가 전체 중량%에 대하여 14.67~21.00 중량% 포함됨이 바람직하다. 또한, 상기 기공률은 하기의 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
여기서, P는 기공률, LP(laser power)는 상기 광원조사부(30)의 레이저 출력 세기(단위 W), FR(foaming agent ratio)은 상기 발포제의 전체 중량%에 대하여 포함되는 중량%, SS(scan speed)는 상기 공급노즐부(20) 및 상기 광원조사부(30)의 수평방향 이동속도(단위 mm/min)를 의미한다.
즉, 제조하고자 하는 다공 금속의 기공률은 상기 광원조사부(30)의 레이저 출력 세기와, 상기 공급노즐부(20) 및 상기 광원조사부(30)의 수평방향 이동속도와, 상기 발포제의 전체 중량%에 대하여 포함되는 중량%에 의해 산출될 수 있다.
이때, 상기의 수학식 1은 변량분석(analysis of variance)에 의해 하기의 수학식 2로 산출될 수 있다.
여기서, P는 기공률, FR(foaming agent ratio)은 상기 발포제의 전체 중량%에 대하여 포함되는 중량%를 의미한다.
그리고, 상기 기공률을 기반으로 제조되고자 하는 다공 금속의 각 단면마다 상이한 기공률의 다공이 형성되도록 상기 공급제어부(15)에 설정값이 데이터화되어 저장됨이 바람직하다.
이에 따라, 3차원 프린팅 작업시 상기 공급제어부(15)가 상기 금속분말저장부(11) 및 상기 발포제저장부(12)에서 상기 혼합물저장부(13)로 이송되는 상기 금속분말 및 상기 발포제의 상호간 비율을 실시간 조절하여 공급할 수 있다.
이를 통해, 제조하고자 하는 다공 금속의 단면마다 상이한 기공률의 다공이 형성되도록 상기 금속분말 및 상기 발포제가 대상영역별로 설정된 기공률에 대응되어 실시간 교반되어 토출되므로 제품의 제조정밀성이 현저히 개선될 수 있다.
한편, 다공 금속의 단면에 대응되도록 설정된 레이어 경로를 따라 상기 발포금속분말 혼합물(a)을 토출하는 상기 공급노즐부(20)가 이동되어 금속 레이어가 형성되되, 상기 공급노즐부(20)와 중복되는 경로를 따라 동시에 이동되는 상기 광원조사부(30)에 의해 레이저가 조사되어 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 용융되어 멜트풀(p)이 형성된다(s20).
여기서, 상기 광원조사부(30)의 레이저 출력 세기(LP)가 1075~1288W으로 설정되고, 상기 이송부(미도시)에 의해 이동되는 상기 공급노즐부(20) 및 상기 광원조사부(30)의 수평방향 이동속도(SS)가 650~898mm/min으로 설정됨이 바람직하다.
또한, 상기 가스분사부(미도시)에 의해 상기 공급유로(22)로 분사되는 파우더가스의 분당분사량은 3.0~5.0 l/min으로 설정될 수 있으며, 이에 따라 상기 공급유로(22)를 통해 토출되는 상기 발포금속분말 혼합물(a)의 공급률이 0.5~1.5 g/mm로 설정될 수 있다. 또한, 상기 가스분사부(미도시)에 의해 상기 제1분사유로(41)로 분사되는 쉴드가스의 분당 분사량은 2.0~3.0 l/min으로 설정될 수 있으며, 상기 가스분사부(미도시)에 의해 상기 제2분사유로로 분사되는 동축가스의 분당 분사량은 5.0~7.0 l/min으로 설정될 수 있다.
그리고, 상기 공급노즐부(20) 및 상기 광원조사부(30)가 수평방향으로 이동됨에 따라 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 용융되어 형성된 멜트풀(p)이 동일평면상에서 연속적으로 형성되며, 상기 멜트풀(p)이 순차적으로 급속 응고됨에 따라 다공 금속의 단면이 순차적으로 형성될 수 있다.
이어서, 급속 응고된 상기 멜트풀(p)의 상부를 따라 상기 공급노즐부(20) 및 상기 광원조사부(30)가 이동되어 상기 금속 레이어가 다단 적층된다(s30). 여기서, 상기 멜트풀(p)이 응고됨에 따라 형성되는 다공 금속의 각 단면마다 상이하게 설정된 기공률에 대응되는 비율로 실시간 교반된 상기 발포금속분말 혼합물(a)이 상기 공급노즐부(20)에 의해 상기 플레이트부(60) 또는 응고된 다공 금속의 상면으로 토출됨이 바람직하다.
이러한 방법으로 3차원 프린팅되어 제작된 폐쇄형 기공이 형성된 다공 금속의 압축성능은 내부에 기포가 형성되어 있지 않은 비다공성 소재에 비해 우수한 특성을 나타낸다. 여기서, 상기 공급노즐부(20) 및 상기 광원조사부(30)가 수평방향으로 이동됨에 따라 상기 멜트풀(p)이 형성과정에서 상기 멜트풀(p)의 형상이 위로 볼록한 형상으로 응집되어 응고될 수 있으나, 상기 멜트풀(p)이 응고됨에 따라 최종적으로 제조되는 다공 금속의 표면은 실질적으로 매끄러운 표면 형상으로 제조됨으로 이해함이 바람직하다.
이때, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구하는 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형 실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형 실시는 본 발명의 범위에 속한다.
100: 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터
10: 저장부 11: 금속분말저장부
12: 발포제저장부 13: 혼합물저장부
14: 교반부 15: 공급제어부
20: 공급노즐부 21: 중공부
22: 공급유로 30: 광원조사부
40: 가이드노즐부 41: 제1분사유로
50: 보조가이드노즐부 51: 제2분사유로
60: 플레이트부 a: 발포금속분말 혼합물
m: 다공 금속 p: 멜트풀
k: 레이저 조사경로
10: 저장부 11: 금속분말저장부
12: 발포제저장부 13: 혼합물저장부
14: 교반부 15: 공급제어부
20: 공급노즐부 21: 중공부
22: 공급유로 30: 광원조사부
40: 가이드노즐부 41: 제1분사유로
50: 보조가이드노즐부 51: 제2분사유로
60: 플레이트부 a: 발포금속분말 혼합물
m: 다공 금속 p: 멜트풀
k: 레이저 조사경로
Claims (12)
- 중앙부에 관통 형성된 중공부의 외주에 다공 금속의 기공률에 대응되는 비율로 금속분말 및 발포제가 혼합된 발포금속분말 혼합물이 공급되는 환형의 공급유로가 형성되고, 다공 금속의 단면에 대응되도록 설정된 레이어 경로를 따라 이동되며 상기 발포금속분말 혼합물을 토출하는 공급노즐부;
상기 공급노즐부와 중복되는 경로를 따라 동시에 이동되되, 상기 중공부를 통해 레이저를 조사하여 상기 발포금속분말 혼합물을 용융시키는 광원조사부;
상기 공급노즐부의 외주를 감싸며 구비되되 상기 공급노즐부로부터 토출된 상기 발포금속분말 혼합물의 이동을 안내하도록 분사된 쉴드가스가 유동되는 가이드노즐부; 및
상기 광원조사부로부터 조사된 레이저 조사경로의 외측 및 상기 중공부의 내주 테두리 사이에 구비되되 상기 발포금속분말 혼합물의 이동을 안내하도록 동축가스를 분사하는 동축가이드노즐부를 포함하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터. - 제 1 항에 있어서,
상기 가이드노즐부는 상기 발포금속분말 혼합물의 토출경로가 용융된 멜트풀의 형성영역으로 집중되도록 상하방향 중앙부로부터 하측으로 갈수록 직경이 경사지게 협소화되며,
상기 가이드노즐부의 내부에는 상기 쉴드가스가 분사되도록 환형으로 제1분사유로가 형성됨을 특징으로 하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 동축가이드노즐부에는 상기 공급노즐부로부터 토출된 상기 발포금속분말 혼합물이 상기 광원조사부에서 조사된 레이저 조사경로 내부로의 유입을 방지하는 동축가스가 분사되도록 환형으로 제2분사유로가 형성됨을 특징으로 하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터. - 제 1 항에 있어서,
상기 발포금속분말 혼합물이 저장되는 저장부를 더 포함하되,
상기 저장부는, 상기 금속분말이 1차 저장되는 금속분말저장부와,
상기 발포제가 1차 저장되는 발포제저장부와,
상기 금속분말저장부 및 상기 발포제저장부에 1차 저장된 상기 금속분말 및 상기 발포제가 상호간 혼합되도록 이송되는 혼합물저장부를 포함하고,
상기 혼합물저장부로 이송된 상기 금속분말 및 상기 발포제를 교반하여 상기 발포금속분말 혼합물을 준비하는 교반부와,
다공 금속의 각 단면마다 상이하게 설정된 기공률에 대응되는 비율로 실시간 교반되도록 상기 혼합물저장부에 공급되는 상기 금속분말 및 상기 발포제의 비율을 공급제어하는 공급제어부를 더 포함함을 특징으로 하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터. - 제 1 항에 있어서,
상면에 상기 발포금속분말 혼합물이 용융된 멜트풀이 적층되는 플레이트부를 더 포함하되,
상기 플레이트부는 상기 광원조사부로부터 조사된 레이저 조사경로와 수직으로 배치되며, 상기 공급노즐부의 하단부와 기설정된 간격으로 이격 배치됨을 특징으로 하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터. - 금속분말에 제조하고자 하는 다공 금속의 기공률에 대응되는 비율로 발포제가 주입되어 교반부에 의해 교반된 발포금속분말 혼합물이 준비되어 저장부에 저장되는 제1단계;
다공 금속의 단면에 대응되도록 설정된 레이어 경로를 따라 상기 발포금속분말 혼합물을 토출하는 공급노즐부가 이동되어 금속 레이어가 형성되되, 상기 공급노즐부와 중복되는 경로를 따라 동시에 이동되는 광원조사부에 의해 레이저가 조사되어 상기 발포금속분말 혼합물이 용융되어 멜트풀이 형성되는 제2단계; 및
급속 응고된 상기 멜트풀의 상부를 따라 상기 공급노즐부 및 상기 광원조사부가 이동되어 상기 금속 레이어가 다단 적층되는 제3단계를 포함하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린팅 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제1단계에서,
상기 금속분말은 AlSi12로 구성되며, 상기 저장부에 주입된 상기 발포제가 전체 중량%에 대하여 14.67~21.00 중량% 포함되고,
상기 제2단계에서,
상기 광원조사부의 레이저 출력 세기가 1075~1288W으로 설정되고,
상기 공급노즐부 및 상기 광원조사부의 수평방향 이동속도가 650~898mm/min으로 설정됨을 특징으로 하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린팅 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 제1단계에서, 상기 발포제는 ZrH2, TiH2, Na2CO3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린팅 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제1단계는,
상기 금속분말이 금속분말저장부에 저장되는 단계와,
상기 발포제가 발포제저장부에 저장되는 단계와,
상기 금속분말저장부 및 상기 발포제저장부에 저장된 상기 금속분말 및 상기 발포제가 공급제어부에 의해 혼합물저장부로 이송되어 교반되되, 교반부에 의해 다공 금속의 각 단면마다 상이하게 설정된 기공률에 대응되는 비율로 실시간 교반되어 상기 발포금속분말 혼합물이 형성되는 단계를 포함하며,
상기 제2단계 및 상기 제3단계에서, 다공 금속의 각 단면마다 상이하게 설정된 기공률에 대응되는 비율로 실시간 교반된 상기 발포금속분말 혼합물이 상기 공급노즐부에 의해 토출됨을 특징으로 하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린팅 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제1단계에서, 상기 기공률은
에 의해 산출되되, 여기서 P는 기공률, LP(laser power)는 상기 광원조사부의 레이저 출력 세기(단위 W), FR(foaming agent ratio)은 상기 발포제의 전체 중량%에 대하여 포함되는 중량%, SS(scan speed)는 상기 공급노즐부 및 상기 광원조사부의 수평방향 이동속도(단위 mm/min)임을 특징으로 하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린팅 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제1단계에서, 상기 기공률은
에 의해 산출되되, 여기서 P는 기공률, FR(foaming agent ratio)은 상기 발포제의 전체 중량%에 대하여 포함되는 중량%임을 특징으로 하는 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린팅 방법.
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| KR1020180169521A KR102205851B1 (ko) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린팅 방법 |
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| KR20200084437A KR20200084437A (ko) | 2020-07-13 |
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| KR1020180169521A KR102205851B1 (ko) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | 폐쇄형 기포를 갖는 다공 금속용 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린팅 방법 |
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| KR102529862B1 (ko) * | 2021-09-02 | 2023-05-04 | 한국해양대학교 산학협력단 | 다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법 |
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