KR102217025B1 - 3d 프린터용 금속분말 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아크 용사를 기반으로 하면서 구형도 95% 이상이며 분말의 크기가 20 ~ 30 마이크론으로 균일한 3D 프린터용 금속분말을 제조할 수 있는 3D 프린터용 금속분말 제조장치에 관한 것으로서, 금속 와이어를 공급하는 와이어 피더; 상기 와이어 피더로부터 공급되는 와이어를 고온으로 용사하며 용사 부위에 불활성 가스를 주입하는 용사 노즐 블록; 상기 용사 노즐 블록의 후단에 배치되며 상기 용사 노즐 블록으로부터 분사되는 융용 분사물을 1차 냉각하고, 후방에는 길이방향을 따라 주름부가 구비되는 주름 챔버부; 상기 주름 챔버부의 후단에 배치되며 상기 용융 분사물을 2차 냉각하는 후단 챔버부; 상기 후단 챔버부의 길이방향에 대하여 수직인 축과 15도 내지 30도의 경사를 갖도록 상기 후단 챔버부 상에 구비되며, 메시 형태를 가져 상기 용융 분사물이 냉각된 금속분말을 여과하는 분말 분급부로서, 상기 분말 분급부는 상기 용융 분사물의 진행방향을 따라 제1 분말 분급부, 제2 분말 분급부, 및 제3 분말 분급부가 소정 간격을 두고 순차로 배치되며, 상기 제1 분말 분급부는 제1 입도를 갖는 메시 형태이고, 상기 제2 분말 분급부는 상기 제1 입도에 비해 입도가 작은 제2 입도를 갖는 메시 형태이고, 상기 제3 분말 분급부는 상기 제2 입도에 비해 입도가 작은 제3 입도를 갖는 메시 형태인 분말 분급부; 상기 분말 분급부의 하방에 배치되며 여과된 금속분말을 수거하는 적어도 하나의 분말 수거부; 상기 제1 분말 분급부, 상기 제2 분말 분급부, 및 상기 제3 분말 분급부의 회전축에 축결되는 스크류; 및 상기 스크류를 회전 구동하는 스크류 구동 모터를 포함한다.
본 발명에 따르면, 아크 용사된 와이어 용융물이 주름 챔버부를 지나면서 냉각될 때 챔버의 주름부 길이를 조정함으로써 금속 재료의 종류에 따라 서로 다른 응고 시간에 대응 가능함으로써, 설비 공간을 효율적으로 사용할 수 있고 다품종 소량 생산 시스템에 매우 유용하며, 용사 노즐 블록에서 와이어 장입 시에 불활성 가스를 주입하여 주름 챔버부에서 용융물이 냉각되는 과정에서 산화되는 것을 방지하고 금속분말의 표면 청정도를 높임은 물론 구형도 95% 이상이며 분말의 크기가 20 ~ 30 마이크론으로 균일한 금속분말을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

3D 프린터용 금속분말 제조장치{MANUFACTURING APPARATUS OF METAL POWDER FOR 3D PRINTER}

본 발명은 3D 프린터에 사용되는 금속분말을 제조하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아크 용사를 기반으로 하면서 구형도 95% 이상이며 분말의 크기가 20 ~ 30 마이크론으로 균일한 3D 프린터용 금속분말을 제조할 수 있는 3D 프린터용 금속분말 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로, 3D 프린터용 금속분말은 구형도가 90% 이상이며, 수십 마이크론에서 수백 마이크론까지의 분말 크기 분포를 가진다. 그리고 분말 표면은 산화되어 있지 않아야 하며 균일한 분말의 크기를 가져야 한다. 이러한 금속분말은 주로 Stainless, Titanium, Inconel 등의 특정한 금속분말을 사용하고 있으며, 3D 프린팅 방식은 Powder Bed Fusion방식으로 주요 응용분야는 의료, 항공기 및 교육 분야 등에 적용된다.

현재 3D 프린터용 금속분말은 주로 가스 분무법으로 제조되고 있다. 가스 분무법은 상부의 챔버에 노즐이 장착된 도가니 내에 금속을 용융시키고 상부 챔버를 가압하면 노즐을 통해 용융된 금속이 하부에 위치한 진공 분위기의 챔버에 분사되고 이때 노즐의 주위에 냉매를 뿌려주면서 고체화시켜 금속분말을 제조한다.

이렇게 만들어지는 금속분말은 형상은 구형이며, 금속분말의 표면은 청정한 상태를 가지게 된다. 그러나 3D 프린팅용 금속분말의 기준인 금속분말의 크기분포를 만족시키는 금속분말의 회수율은 최대 30% 이상을 넘기기 어려워 가격이 급격히 상승하며, 소량 다품종 생산에는 적합하지 않다.

이에 대한민국 등록특허 제10-1421244호는 금속분말 제조방법 중 또 다른 방법인 기계적 분쇄 후 각형의 금속분말을 플라즈마 처리를 통한 구형의 3D 프린터용 금속분말을 제안하고 있다.

하지만, 위 선행문헌은 금속분말의 수소화 처리단계를 거치고 플라즈마 처리하는 단계로 청정한 표면과 구형의 분말을 제공할 수는 있지만 분말의 입자크기 제어가 제한적이다. 또한 수소가스 및 고가의 플라즈마 장비를 적용해야 할 뿐 아니라 전력소모가 큰 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1421244호

본 발명은 기존의 아크 용사를 기반으로 하여 다품종 소량 생산에 적합하며, 구형도 95% 이상이며 분말의 크기가 20 ~ 30 마이크론으로 균일한 3D 프린터용 금속분말을 제조할 수 있도록 하는 3D 프린터용 금속분말 제조장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 금속분말 제조장치는, 금속 와이어를 공급하는 와이어 피더; 상기 와이어 피더로부터 공급되는 와이어를 고온으로 용사하며 용사 부위에 불활성 가스를 주입하는 용사 노즐 블록; 상기 용사 노즐 블록의 후단에 배치되며 상기 용사 노즐 블록으로부터 분사되는 용융 분사물을 1차 냉각하고, 후방에는 길이방향을 따라 주름부가 구비되는 주름 챔버부; 상기 주름 챔버부의 후단에 배치되며 상기 용융 분사물을 2차 냉각하는 후단 챔버부; 상기 후단 챔버부 상에 구비되며 메시 형태를 가져 상기 용융 분사물이 냉각된 금속분말을 여과하는 적어도 하나의 분말 분급부; 및 상기 분말 분급부의 하방에 배치되며 여과된 금속분말을 수거하는 적어도 하나의 분말 수거부를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터용 금속분말 제조장치는, 상기 주름 챔버부 내부는 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기로 조성된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 프린터용 금속분말 제조장치는, 상기 분말 분급부는 상기 후단 챔버부의 길이방향에 대하여 수직인 축과 15도 내지 30도의 경사를 갖도록 구비된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 프린터용 금속분말 제조장치는, 상기 분말 분급부는 상기 용융 분사물의 진행방향을 따라 제1 분말 분급부, 제2 분말 분급부, 및 제3 분말 분급부가 소정 간격을 두고 순차로 배치되며, 상기 제1 분말 분급부는 제1 입도를 갖는 메시 형태이고, 상기 제2 분말 분급부는 상기 제1 입도에 비해 입도가 작은 제2 입도를 갖는 메시 형태이고, 상기 제3 분말 분급부는 상기 제2 입도에 비해 입도가 작은 제3 입도를 갖는 메시 형태이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 프린터용 금속분말 제조장치는, 상기 제1 분말 분급부, 상기 제2 분말 분급부, 및 상기 제3 분말 분급부의 회전축에 축결되는 스크류; 및 상기 스크류를 회전 구동하는 스크류 구동 모터를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 프린터용 금속분말 제조장치는, 상기 주름 챔버부의 와이어 인입공 둘레에는 상기 용사 노즐 블록의 선단부에 대응하여 내측으로 테이퍼 진 테이퍼부가 형성되며, 상기 테이퍼부와 상기 용사 노즐 블록의 선단부 사이에는 진공 실링부가 개재된다.

본 발명의 3D 프린터용 금속분말 제조장치에 따르면, 아크 용사된 와이어 용융물이 주름 챔버부를 지나면서 냉각될 때 챔버의 주름부 길이를 조정함으로써 금속 재료의 종류에 따라 서로 다른 응고 시간에 대응 가능함으로써, 설비 공간을 효율적으로 사용할 수 있고 다품종 소량 생산 시스템에 매우 유용하며, 용사 노즐 블록에서 와이어 장입 시에 불활성 가스를 주입하여 용융 및 분사 과정에서 1차 산화를 방지하고, 주름 챔버부를 진공 또는 불활성 가스 분위기로 조성함으로써 용융 분사물의 고체화 과정에서 2차 산화를 방지할 수 있으며, 금속분말의 표면 청정도를 높임은 물론 구형도 95% 이상이며 분말의 크기가 20 ~ 30 마이크론으로 균일한 금속분말을 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 메시 형태를 가지는 분말 분급부가 소정 각도 경사진 상태로 회전함으로써, 금속분말 분말 수거부에 안정적으로 수거되도록 하며, 금속분말이 분말 분급부의 일정 부위에 집중적으로 끼이지 않아 유지보수 주기를 길게 가져갈 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 서로 다른 입도를 갖는 메시를 순차적으로 배치하여 복수의 분말 분급부를 구성함으로써, 서로 다른 크기의 금속분말을 분류하여 수거할 수 있으며 각각의 금속분말 균일도를 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 주름 챔버부의 와이어 인입공 주변부와 용사 노즐 블록의 선단부 사이에 진공 실링부를 개재하여 와이어의 직경과 와이어 투입구의 내경 사이의 유격을 통해 산소가 유입되는 것을 방지함으로써, 와이어 용융물의 냉각 시에 산화되는 현상을 보다 확실하게 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터용 금속분말 제조장치를 개념적으로 묘사한 도면,
도 2는 본 발명에서 용사 노즐 블록을 예시한 도면,
도 3은 본 발명에서 와이어 피더와 파워 서플라이를 일체형으로 구성한 예를 보인 도면, 및
도 4는 본 발명에서 분말 분급부의 구성을 예시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.

실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터용 금속분말 제조장치를 개념적으로 묘사한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 금속분말 제조장치는 와이어 피더(110)와, 용사 노즐 블록(220)과, 주름 챔버부(300)와, 후단 챔버부(400)와, 분말 분급부(410, 420, 430)와, 집진부(500)를 포함하여 구성된다.

와이어 피더(110)는 장치로 금속 와이어를 공급하는 장치이다. 용사 노즐 블록(220)의 인입단에는 와이어 장입 블록(210)이 구비되며, 와이어 피더(110)로부터 공급되는 금속 와이어가 와이어 장입 블록(210)을 통해 용사 노즐 블록(220)으로 장입된다.

금속 와이어를 아크 용사하기 위해 전기 에너지가 필요하며, 파워 서플라이(120)는 용사 노즐 블록(220)에 아크 생성을 위한 고전압을 인가한다.

도 2는 본 발명에서 용사 노즐 블록을 예시한 도면으로, 발명의 이해를 돕기 위해 용사 노즐 블록(220)과 주름 챔버부(300)의 인입단 결합부를 분리하여 도시하였다. 도 2를 참조하면, 용사 노즐 블록(220)의 선단부는 건 형태를 가지며, 주름 챔버부(300)는 와이어 인입공(330) 둘레에 용사 노즐 블록(220)의 선단부 형태에 대응하여 내측으로 테이퍼 진 테이퍼부(320)가 형성된다.

용사 노즐 블록(220)의 내부에는 와이어 장입부(222)와 가스 주입부(224)가 구비된다. 와이어 장입부(222)를 통해 장입되는 와이어가 노즐 선단부를 통해 주름 챔버부로 장입될 때 가스 주입부(224)를 통해 Ar 등의 불활성 가스가 주입되면서 아크 용사가 이루어지며, 주름 챔버부(300)의 내부로 용융 분사물(250)이 분사된다.

이때, 주름 챔버부(300)의 테이퍼부(320)와 용사 노즐 블록(220)의 선단부 사이에는 진공 실링부(340)가 개재된다. 진공 실링부(340)는 와이어 인입공(330)의 둘레를 밀폐시켜 와이어와 와이어 투입구 사이의 유격을 통해 산소가 유입되는 것을 차단한다. 따라서 용융 분사물(250)이 냉각되면서 금속분말을 형성할 때 표면이 산화되는 것을 방지할 수 있다.

도 3은 와이어 피더(110)와 파워 서플라이(120)를 하나의 진공 챔버(180) 내에 일체로 구성하는 예를 보인 것이다. 도시한 바와 같이, 용사 노즐 블록(220) 및 주름 챔버부(300)로 와이어가 인입되는 부분을 모두 진공 챔버(180) 내에 위치시키는 방식으로도 와이어의 용사 과정에 산소가 유입되는 것을 차단할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 주름 챔버부(300)는 후방에 길이방향을 따라 주름부(310)를 구비한다. 주름부(310)는 신축 가능한 벨로우즈 형태를 가지며, 금속분말 제조를 위한 재료에 따라 작업자가 신축시킬 수 있다. 즉, 금속 재료의 응고 시간에 따라 주름부(310)를 신축하여 주름 챔버부(300)의 길이를 조정함으로써, 금속분말이 1차 냉각되기까지 충분한 길이로 제어 가능하다. 따라서 설비 공간을 효율적으로 사용할 수 있고 한 대의 장치로 다품종에 대해 호환성 있게 사용할 수 있다.

가스 공급기(130)는 불활성 가스를 공급하는 수단이며, 가스 공급라인(132)을 통해 주름 챔버부(300)에 연결된다. 진공 펌프(140)는 주름 챔버부(300)와 진공 펌프라인(142)을 통해 연결된다. 주름 챔버부(300) 내부를 진공 상태 또는 불활성 가스 분위기로 조성함으로써 와이어의 용융 분사물(250)이 냉각되는 과정에서 산화되는 것을 방지할 수 있다.

주름 챔버부(300)의 후단에는 금속분말을 2차 냉각하기 위한 후단 챔버부(400)가 연결된다. 후단 챔버부(400) 상에는 도시한 바와 같이 금속분말을 여과하기 위해 메시 형태를 갖는 복수의 분말 분급부(410, 420, 430)가 배치된다. 그리고 분말 분급부(410, 420, 430) 각각의 하방으로 금속분말 수거를 위한 분말 수거부(412, 422, 432)가 배치된다.

도 4는 분말 분급부의 구성을 상세하게 예시한 도면으로, 도 4를 참조하면, 후단 챔버부(400)에서 금속분말이 진행하는 방향을 따라 제1 분말 분급부(410), 제2 분말 분급부(420), 및 제3 분말 분급부(430)가 소정 간격을 두고 순차로 배치된다. 각각의 분말 분급부(410, 420, 430)는 후단 챔버부(400)의 길이방향에 대하여 수직인 축과 15도 내지 30도의 경사를 갖도록 구비되며, 그 회전축이 스크류(160)에 연동하여 회전되는 구조를 갖는다. 스크류(160)는 도 1에서 예시한 바와 같이 스크류 구동 모터(150)의 회전축(160)에 축결된다.

제1 분말 분급부(410)는 제1 입도를 갖는 메시 형태이고, 제2 분말 분급부(420)는 제1 입도에 비해 입도가 작은 제2 입도를 갖는 메시 형태이고, 제3 분말 분급부(430)는 제2 입도에 비해 입도가 작은 제3 입도를 갖는 메시 형태이다. 도시한 바와 같이, 제1 분말 수거부(412)에 포집된 제1 분말(414)은 가장 큰 크기를 가지며, 제2 분말 수거부(422)에 포집된 제2 분말(424)은 중간 크기를 가지며, 제3 분말 수거부(432)에 포집된 제3 분말(434)은 가장 작은 크기를 갖게 된다.

즉, 메시 형태를 가지는 복수의 분말 분급부(410, 420, 430)가 소정 각도 경사진 상태로 회전함으로써, 분말 수거부(412, 422, 432)에 금속분말이 안정적으로 포집될 수 있다. 또한, 분말 분급부(410, 420, 430)들이 자체적으로 회전함으로써 금속분말이 메시의 일정 부위에 집중적으로 끼이지 않아 유지보수 주기를 길게 가져갈 수 있다. 또한, 서로 다른 입도를 갖는 메시를 순차적으로 배치하여 복수의 분말 분급부(410, 420, 430)를 구성함으로써, 서로 다른 크기의 금속분말을 분류하여 수거할 수 있으며 각각의 금속분말 균일도를 크게 향상시킬 수 있다.

한편, 도 1을 참조하면, 후단 챔버부(400)의 후방에는 집진부(500)가 설치된다. 도시하지 않았지만 집진부(500)는 냉각 자켓 또는 열교환 수단에 의해 저온으로 냉각된다. 집진부(500)는 분말화 처리의 잔류물을 집진하며 챔버 내에 금속 유체가 적층되지 않도록 한다.

위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

110 : 와이어 피더 120 : 파워 서플라이
130 : 가스 공급기 132 : 가스 공급라인
140 : 진공 펌프 142 : 진공 펌프라인
150 : 스크류 구동 모터 152 : 회전축
160 : 스크류 180 : 진공 챔버
210 : 와이어 장입 블록 220 : 용사 노즐 블록
222 : 와이어 장입부 224 : 가스 주입부
250 : 용융 분사물 300 : 주름 챔버부
310 : 주름부 320 : 테이퍼부
330 : 와이어 인입공 340 : 진공 실링부
400 : 후단 챔버부 410 : 제1 분말 분급부
412 : 제1 분말 수거부 414 : 제1 분말
420 : 제2 분말 분급부 422 : 제2 분말 수거부
424 : 제2 분말 430 : 제3 분말 분급부
432 : 제3 분말 수거부 434 : 제3 분말
500 : 집진부

Claims (6)

1. 금속 와이어를 공급하는 와이어 피더;
   상기 와이어 피더로부터 공급되는 와이어를 고온으로 용사하며 용사 부위에 불활성 가스를 주입하는 용사 노즐 블록;
   상기 용사 노즐 블록의 후단에 배치되며 상기 용사 노즐 블록으로부터 분사되는 용융 분사물을 1차 냉각하고, 후방에는 길이방향을 따라 주름부가 구비되는 주름 챔버부;
   상기 주름 챔버부의 후단에 배치되며 상기 용융 분사물을 2차 냉각하는 후단 챔버부;
   상기 후단 챔버부의 길이방향에 대하여 수직인 축과 15도 내지 30도의 경사를 갖도록 상기 후단 챔버부 상에 구비되며, 메시 형태를 가져 상기 용융 분사물이 냉각된 금속분말을 여과하는 분말 분급부로서, 상기 분말 분급부는 상기 용융 분사물의 진행방향을 따라 제1 분말 분급부, 제2 분말 분급부, 및 제3 분말 분급부가 소정 간격을 두고 순차로 배치되며, 상기 제1 분말 분급부는 제1 입도를 갖는 메시 형태이고, 상기 제2 분말 분급부는 상기 제1 입도에 비해 입도가 작은 제2 입도를 갖는 메시 형태이고, 상기 제3 분말 분급부는 상기 제2 입도에 비해 입도가 작은 제3 입도를 갖는 메시 형태인 분말 분급부;
   상기 분말 분급부의 하방에 배치되며 여과된 금속분말을 수거하는 적어도 하나의 분말 수거부;
   상기 제1 분말 분급부, 상기 제2 분말 분급부, 및 상기 제3 분말 분급부의 회전축에 축결되는 스크류; 및
   상기 스크류를 회전 구동하는 스크류 구동 모터
   를 포함하는 3D 프린터용 금속분말 제조장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 주름 챔버부 내부는 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기로 조성되는 3D 프린터용 금속분말 제조장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 주름 챔버부의 와이어 인입공 둘레에는 상기 용사 노즐 블록의 선단부에 대응하여 내측으로 테이퍼 진 테이퍼부가 형성되며, 상기 테이퍼부와 상기 용사 노즐 블록의 선단부 사이에는 진공 실링부가 개재되는 3D 프린터용 금속분말 제조장치.
4. 삭제
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