KR102217603B1 - 단속 미세조직 층이 형성된 전자부품 임베디드 금속 부품 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 케이지를 포함하는 제1금속부품; 상기 케이지 내부에 위치하는 전자부품; 및 상기 제1금속부품의 상부에 형성된 제2금속부품을 포함하고, 상기 제1금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직을 포함하고, 상기 제2금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직을 포함하며, 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면에는 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 포함하는 금속부품에 관한 것으로, 단계별 3D 프린팅 공정을 통하여, 의도적으로 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 형성하며, z축 방향으로 연장되는 형태의 덴드라이트 미세조직을 단절시킴으로써, 미세조직의 비등방성을 감쇄시킬 수 있다.
Description
본 발명은 단속 미세조직 층이 형성된 전자부품 임베디드 금속 부품 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 전자부품을 포함하고, 2 단계의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조되는, 단속 미세조직 층이 형성된 전자부품 임베디드 금속 부품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근에, 도면만 있으면 누구나 제품을 생산할 수 있는 3D프린터가 새로운 산업혁명이라 불리면서 많은 관심을 받고 있다. 3D프린터는 디지털화된 3차원 제품 디자인에 대해 2차원 단면을 연속적으로 재구성해 소재를 한층씩 적층해서 3차원적인 제품을 생산한다.
기존 3D프린팅에 들어가는 주요 소재는 합성수지였으나, 최근에는 엔지니어링 플라스틱, 금속분말 등으로 다양화되면서 활용할 수 있는 산업분야도 확대되고 있는 추세이다.
금속 3D 프린터는 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째는 Powder Bed Fusion(PBF)방식이다. 이 방식은 분말공급장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 선택적으로 조사한 후 한층씩 용융시켜 쌓아 올라가는 방식이다. 두 번째는 DED(Directed Energy Deposition) 방식이다. 이 방식은 보호가스 분위기에서 분말을 실시간으로 공급하고 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시 용융되어 적층해 나가는 방식이다.
예를 들어 한국 공개특허 제10-2018-0003141호에는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치를 개시하고 있으며, 구체적으로는 금속분말을 원재료로 하여, 상기 금속분말에 레이저를 조사하여 3차원 형상을 조형하는 금속분말 3D 프린팅 장치에 있어서, 상기 레이저를 통한 조사 이전에 상기 금속분말을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치를 개시하고 있다. 상기 기술은 금속 분말 3D 프린팅 전 원료를 전처리 함으로서, 공정 경제를 달성하고, 최종 산물의 품질을 향상시키고자 하는 기술이다.
또한, 한국 등록특허 제10-1611566호에는 3차원 금속 프린팅장치 및 이를 이용한 프린팅 방법이 개시되어 있고, 구체적으로는 스테이지(1)와; 상기 스테이지(1)의 상측에서 스테이지(1)의 상부면에 금속 이온이 용해된 액상의 금속 포메이트 솔루션(metal formate solution)을 토출하는 노즐(2)과; 상기 스테이지(1)에 레이저 빔을 조사하여 상기 노즐(2)을 통해 스테이지(1)에 토출된 금속 포메이트 솔루션에서 국부적인 열-화학적 반응에 의한 금속을 석출하는 레이저 조사기(3) 및; 상기 노즐(2)에 설치되어 노즐(2)을 가열함으로써 금속 포메이트 솔루션을 가열하는 히터(22);를 포함하며, 상기 레이저 조사기(3)에서 방출되는 레이저 빔의 축은 노즐(2)의 축과 일정 각도를 이루도록 되어, 레이저 빔이 노즐(2)의 외측에서 금속 포메이트 솔루션에 조사되는 것을 특징으로 하는 3차원 금속 프린팅장치가 개시되어 있다. 상기 기술은 3차원 CAD 데이터에 의한 경로를 통해 스테이지와 레이저 조사기 간의 상대 위치를 변화시키면서 연속적으로 금속을 석출하여 원하는 금속 입체 형상물을 제작할 수 있으며, 형상의 진행 면과 수직한 방향으로 출력이 가능하여 별도의 서포터가 필요없는 기술이다.
이와 같은 금속 3D 프린팅 기술의 발전에 따라, 기존 밀링 등의 방식으로는 구현할 수 없었던 다양한 형태의 금속부품을 제조할 수 있게 되고, 또한 성형할 수 있게 되었다.
한편, IoT, 빅데이터, 3D 프린팅과 같은 4차 산업혁명 기술을 융합한 '지능형 금속부품' 개발이 추진되고 있으며, 그 중, 실시간으로 금속부품 내부의 피로/파괴/온도변화 등을 자체적으로 관찰하고 리포트를 하고, 해당 빅데이터를 분석하여 금속부품의 상태 및 교체 여부를 자체적으로 사용자에게 알려주는 금속부품에 대한 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 항공기 산업의 경우, 금속부품의 상태 관측은 안전과 관련하여 매우 크리티컬하고, 현재는 이를 위하여 매번 항공기의 모든 부품을 해체한 후, 각 금속부품 표면에 관측장비를 부착하고, 상태를 분석한 후, 관측장비 제거 후, 부품들을 다시 조립하는 매우 불편하고, 시간 소모도 많으면서, 그 과정에서 안전상의 문제가 발생할 수도 있는 방법이 수행되고 있다.
구체적인 예로는, 한국 공개특허 제10-2012-0138541호는 회전익 항공기의 로터 블레이드 계측용 센서 및 배선 장착방법을 개시하고 있으며, 구체적으로는 로터 블레이드 표면의 페인트를 제거하는 단계(S1)와; 페인트가 제거된 로터블레이드 표면에 마그네트 와이어 및 계측센서를 장착시키는 단계(S2)와; 계측센서 단자와 마그네트와이어의 단자를 납땜하는 단계(S3)와; 계측센서와 마그네트 와이어를 보호하기 위한 코팅층을 형성하는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전익 항공기의 로터 블레이드 계측용 센서 및 배선 장착방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 방법은 로터 블레이드 표면에 계측센서를 장착시키고 납땜하는 방법으로 센서를 블레이드 외부에 고정시키고 있어, 외부 환경에 따라 센서가 이탈될 수 있는 문제점이 있다.
또는 금속부품의 상태를 실시간으로 확인하기 위하여 금속부품의 표면에 박막 형태의 관측장치를 설치하는 경우도 있는데, 이 경우, 금속부품의 움직임 또는 외부 환경에 의하여 관측장치가 쉽게 이탈될 수 있는 문제점이 있다.
또, 한편으로는 특정 전자부품의 경우 외부환경으로부터 보호될 필요가 있다. 이 경우, 특정 구조체를 이루는 금속부품 내에 해당 전자부품이 삽입된 상태로 금속부품이 형성된다면, 외부환경으로부터 전자부품이 보호될 수 있을 것이다.
이에 본 발명의 발명자들은 금속 3D 프린팅 기술을 통하여, 전자부품을 포함하는 금속부품을 제조하는 방법을 연구하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 전자부품이 삽입된 금속부품의 제조방법 및 전자부품이 내부에 삽입된 금속부품을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 케이지를 포함하는 제1금속부품; 상기 케이지 내부에 위치하는 전자부품; 및 상기 제1금속부품의 상부에 형성된 제2금속부품을 포함하고, 상기 제1금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직을 포함하고, 상기 제2금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직을 포함하며, 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면에는 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 포함하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속부품은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성되고, 상기 제2금속부품은 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성되는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속부품은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면을 포함하고, 상기 제2금속부품은, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면을 포함하며, 상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면을 포함하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면은, 상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면인 것을 특징으로 하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 케이지를 밀폐하는 커버를 더 포함하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 제1금속부품; 및 상기 제1금속부품의 상부에 형성된 제2금속부품을 포함하고, 상기 제1금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직을 포함하고, 상기 제2금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직을 포함하며, 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면에는 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 포함하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속부품은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면을 포함하고, 상기 제2금속부품은, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면을 포함하며, 상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면을 포함하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면은, 상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면인 것을 특징으로 하는 금속부품을 제공한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 단계별 3D 프린팅 공정을 통하여, 의도적으로 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 형성하며, z축 방향으로 연장되는 형태의 덴드라이트 미세조직을 단절시킴으로써, 미세조직의 비등방성을 감쇄시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도 3a는 본 발명의 제1금속부품의 다른 예를 도시하는 개략적인 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 커버의 다른 예를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품을 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 5는 일반적인 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 금속재의 미세조직을 도시하는 사진이다.
도 6은 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 본 발명에 따른 금속부품의 미세조직을 도시하는 사진이다.
도 7은 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 시편의 미세조직을 도시하는 사진이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도 3a는 본 발명의 제1금속부품의 다른 예를 도시하는 개략적인 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 커버의 다른 예를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품을 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 5는 일반적인 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 금속재의 미세조직을 도시하는 사진이다.
도 6은 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 본 발명에 따른 금속부품의 미세조직을 도시하는 사진이다.
도 7은 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 시편의 미세조직을 도시하는 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
먼저, 도 1 및 도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상부가 개방된 케이지(120)를 포함하는 제1금속부품(110)을 제조하는 단계를 포함한다(S110).
보다 구체적으로, 본 발명에서 상기 케이지(120)는 금속부품 내에 전자부품이 삽입되는 공간을 의미한다.
즉, 본 발명의 제조방법은 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법으로, 우선, 상기 전자부품이 삽입되기 위한 상부가 개방된 케이지를 포함하는 제1금속부품(110)을, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성한다.
상기 금속 3D 프린팅 방법으로 케이지를 포함하는 제1금속부품(110)을 형성함으로써, 삽입되는 전자부품에 맞춰 정교하게 상기 케이지(120)를 형성할 수 있게 된다.
이와 같이 삽입되는 전자부품에 맞춰 정교하게 케이지를 형성하는 것은 기존의 밀링 공정으로는 불가능하거나 또는 매우 어려웠다.
하지만, 본 발명은 금속 3D 프린팅 방법으로 제1금속부품을 형성함으로써, 삽입되는 전자부품에 맞춰 정교하게 케이지의 형상을 조형할 수 있다.
이때, 상기 제1금속부품을 형성하는 금속 3D 프린팅 방법은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방법 또는 직접금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방법에서 선택되는 어느 하나의 방법을 이용할 수 있으며, 금속 3D 프린팅 방법은 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법인 것이 바람직하다.
다만, 본 발명에서 상기 금속 3D 프린팅 방법을 제한하는 것은 아니다.
한편, S110 단계의, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상부가 개방된 케이지(120)를 포함하는 제1금속부품(110)을 제조하는 단계의 경우, 제1단계의 금속 3D 프린팅 방법에 의하여, 상기 제1금속부품(110)을 제조하기 때문에, 상기 제1금속부품(110)의 경우, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)을 포함한다.
즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 제1금속부품(110)의 경우, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법에 의하여, 하부에서부터 상부로 연속적으로 형성되므로, 따라서, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)이, 상기 제1금속부품(110)의 상부면에 형성될 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법은, 상기 케이지(120)를 밀폐하는 커버(200)를 제조하는 단계를 포함한다(S120).
이때, 본 발명에서, 상기 케이지(120)를 밀폐하는 커버(200)는, 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성할 수 있다.
상기 커버(200)는, 후술하는 공정에 의하여, 상기 케이지(120) 내에 전자부품이 삽입된 이후, 상기 제1금속부품(110) 상부에 제2금속부품(310)을 형성하는 과정에서, 삽입된 전자부품을 열충격으로부터 보호하기 위한 구성이다.
즉, 일반적인 금속 3D 프린팅 방법은, 레이저빔 또는 전자빔의 조사를 통해, 대상에 열을 가하는 방식으로 진행될 수 있는데, 후술하는 공정에 의하여, 상기 케이지(120) 내에 전자부품이 삽입된 이후, 상기 제1금속부품(110) 상부에 제2금속부품(310)을 형성하는 과정에서, 상기 전자부품이 열충격에 의하여 손상되는 것을 방지하기 위하여, 본 발명에서는 상기 커버(200)를 도입할 수 있다.
이때, 상기 커버(200)는 상기 케이지(120)를 밀폐시키면서도, 상기 케이지 상부에 고정되어야 하고, 이를 위하여 다양한 방법이 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 케이지(120) 상부 테두리를 따라 단차(121)를 형성하고, 상기 커버(200)가, 상기 케이지(120)의 상부 테두리를 따라 형성된 단차(121)에 위치함으로써, 상기 커버(200)는 상기 케이지(120)를 밀폐시키면서도, 상기 케이지 상부에 고정될 수 있다.
이때, 상술한 바와 같이, 본 발명에서는, 상기 단차(121)를 갖는 케이지(120)를 포함하는 제1금속부품(110) 및 상기 커버(200)를 금속 3D 프린팅을 통하여 형성함으로써, 정밀한 단차를 형성할 수 있고, 따라서, 상기 케이지(120)를 정밀하게 밀폐할 수 있게 되어, 결과적으로 추후 공정에서 전자부품을 열충격으로부터 보호할 수 있다.
한편, 상기 커버(200)를 형성하는 금속 3D 프린팅 방법은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방법 또는 직접금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방법에서 선택되는 어느 하나의 방법을 이용할 수 있으며, 금속 3D 프린팅 방법은 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법인 것이 바람직하다.
다만, 본 발명에서 상기 금속 3D 프린팅 방법을 제한하는 것은 아니다.
이는 상술한 제1금속부품(110)의 금속 3D 프린팅 방법과 동일하므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이때, 본 발명에서, 상기 커버(200)는 금속 3D 프린팅 방법 외의 다른 가공방법에 의해서도 제조될 수 있는 것으로, 본 발명에서 상기 커버(200)의 제조방법을 제한하는 것은 아니다.
다만, 본 발명의 제조방법에서, 상기 제1금속부품(110)과 상기 커버(200)를 동일한 금속 3D 프린팅 방법으로 형성함으로써, 하나의 프린팅 장치 내에서 각각의 구성을 제조하는 공정의 수행이 가능하여 공정시간을 단축할 수 있고, 외부 환경에서 의하여 제1금속부품 및 커버가 오염되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제1금속부품과의 동일한 소재로, 열충격을 막기 위한 상기 케이지를 사용함으로써 이종 소재간의 접합특성 저하를 근본적으로 막을 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명에서, 상기 S110 단계의 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상부가 개방된 케이지(120)를 포함하는 제1금속부품(110)을 제조하는 단계와, S120 단계의 상기 케이지(120)를 밀폐하는 커버(200)를 제조하는 단계의 순서를 제한하는 것은 아니다.
도 3a는 본 발명의 제1금속부품의 다른 예를 도시하는 개략적인 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 커버의 다른 예를 도시하는 개략적인 사시도이다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 본 발명의 제1금속부품의 다른 예(110')는, 상술한 도 2a와 비교하여, 케이지의 형상이 달라질 수 있으며, 즉, 도 2a에서는 상기 케이지의 형상이 사각형인 반면에, 본 발명의 제1금속부품의 다른 예(110')에서의 상기 케이지(120')의 형상은 원형일 수 있고, 또한, 도 2a와 동일하게, 본 발명의 제1금속부품의 다른 예(110')에서의 상기 케이지(120')는, 상기 케이지(120') 상부 테두리를 따라 형성된 단차(121')를 포함할 수 있다.
다음으로, 도 3b를 참조하면, 본 발명의 커버의 다른 예(200')는, 상기 도 3a의 케이지의 형상에 따라, 그 형상을 달리할 수 있으며, 즉, 도 2a에서는 상기 커버의 형상이 사각형인 반면에, 본 발명의 커버의 다른 예(200')에서의 상기 커버(200')의 형상은 원형일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서 상기 케이지의 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 따라서, 본 발명에서 상기 케이지의 형상을 제한하는 것은 아니며, 또한, 본 발명에서 상기 커버의 형상은 상기 케이지의 형상에 대응하여 변형될 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 커버의 형상을 제한하는 것은 아니다.
계속해서, 도 1 및 도 2c를 참조하면, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법은, 상기 제1금속부품(110)의 상기 케이지(120) 내부에 전자부품(300)을 위치시키는 단계를 포함한다(S130).
상기 케이지(120) 내부에 전자부품(300)을 위치시키는 것은, 기 제조된 전자부품을 상기 케이지(120) 내부에 삽입하는 방법으로 수행될 수 있다.
이때, 상기 전자부품(300)은, 온도센서, 스트레인 센서 또는 자이로 센서 등의 각종 센서 또는 마이크로칩일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 금속부품에 대한 관찰, 또는 전자부품의 보호 등 다양한 목적을 위하여 다양한 전자부품이 삽입될 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 전자부품의 종류를 제한하는 것은 아니다.
한편, 상술한 바와 같이, 상기 케이지(120) 내부에 전자부품(300)을 위치시키는 것은, 기 제조된 전자부품을 상기 케이지(120) 내부에 삽입하는 방법으로 수행될 수 있다.
하지만, 이와는 달리, 본 발명에서 상기 케이지(120) 내부에 전자부품(300)을 위치시키는 것은, 상기 케이지(120) 내부에 상기 전자부품을 3D 프린팅하는 방법으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 전자부품이 단순한 외형을 갖는 경우 전자부품을 별도로 제작하고, 이를 상기 금속부품의 케이지 내부에 도입할 수 있을 것이고, 만약 전자부품의 외형이 복잡한 경우라면, 상기 제1금속부품의 상기 케이지와 상기 전자부품의 정밀한 결합을 위하여, 금속 3D 프린팅 방법 등과 같은 3D 프린팅 방법으로 상기 전자부품을 프린팅할 수 있다.
계속해서, 도 1 및 도 2d를 참조하면, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법은, 상기 케이지(120)의 상부에 상기 커버(200)를 덮어, 상기 케이지(120)를 밀폐시키는 단계를 포함한다(S140).
즉, 상술한 바와 같이, 상기 커버(200)는, 후술하는 공정에 의하여, 상기 케이지(120) 내에 전자부품이 삽입된 이후, 상기 제1금속부품(110) 상부에 제2금속부품(310)을 형성하는 과정에서, 삽입된 전자부품을 열충격으로부터 보호하기 위한 구성으로, 상기 커버(200)는 상기 전자부품(300)이 후술하는 공정에 의한 열충격에 의하여 손상되는 것을 방지할 수 있다.
계속해서, 도 1 및 도 2e를 참조하면, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법은, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상기 제1금속부품(110)의 상부에 제2금속부품(410)을 형성하는 단계를 포함한다(S150).
즉, 상기 제2금속부품(410)은, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상기 제1금속부품(110)의 상부에 형성되며, 이때, 상기 제2금속부품을 형성하는 금속 3D 프린팅 방법은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방법 또는 직접금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방법에서 선택되는 어느 하나의 방법을 이용할 수 있으며, 금속 3D 프린팅 방법은 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법인 것이 바람직하다.
다만, 본 발명에서 상기 금속 3D 프린팅 방법을 제한하는 것은 아니다.
이는 상술한 제1단계 금속 3D 프린팅 방법과 동일하므로, 이하 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
이때, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상기 제1금속부품(110)의 상부에 제2금속부품(410)을 형성하는 공정에, 이의 공정은 열을 수반하게 되는데, 본 발명의 제조방법에서는 제2금속부품(410)을 형성하기 전에 전자부품이 삽입되어 있는 케이지 상부를 커버로 덮고, 케이지를 밀봉하기 때문에, 이와 같은 제2금속부품(410)을 형성하는 공정에서도 전자부품이 열충격으로부터 안전할 수 있다.
한편, S150 단계의, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상기 제1금속부품(110)의 상부에 제2금속부품(410)을 형성하는 단계의 경우, 제2단계의 금속 3D 프린팅 방법에 의하여, 상기 제2금속부품(410)을 제조하기 때문에, 상기 제2금속부품(410)의 경우, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)을 포함한다.
즉, 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 제2금속부품(410)의 경우, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법에 의하여, 하부에서부터 상부로 연속적으로 형성되므로, 따라서, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이, 상기 제2금속부품(410)의 하부면에 형성될 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 본 발명의 제조방법에서 상기 제1금속부품, 상기 커버 및 상기 제2금속부품은 동일 소재로 형성될 수 있다.
상기 제1금속부품, 상기 커버 및 상기 제2금속부품이 동일 소재로 형성되는 경우, 전자부품을 금속부품 내에 삽입하기 위한 공정에 따른 금속부품의 물성 저하를 억제할 수 있는 장점이 있다.
즉, 제1금속부품과 커버, 제1금속부품과 제2금속부품, 커버와 제2금속부품의 사이에 계면이 형성되는데, 이때 상기 각각이 서로 다른 소재인 경우 계면 접합성 등의 물성이 저하되고, 이에 따라 결과적으로 최종 제조되는 금속부품의 다양한 물성이 저하될 수 있으나, 본 발명의 제조방법에서는 상기 제1금속부품, 상기 커버 및 상기 제2금속부품을 동일 소재로 형성하여 금속부품의 물성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이상과 같은 방법에 의하여, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품을 제조할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품을 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품(10)은, 케이지(미도시)를 포함하는 제1금속부품(110); 상기 케이지(미도시) 내부에 위치하는 전자부품(미도시); 상기 케이지(미도시)를 밀폐하는 커버(200); 및 상기 제1금속부품(110)의 상부에 형성된 제2금속부품(410)을 포함한다.
다만, 본 발명에서, 상기 케이지(미도시)를 밀폐하는 상기 커버(200)의 구성의 유무를 제한하는 것은 아니다.
이때, 본 발명에서, 상기 제1금속부품(110)은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성되고, 상기 제2금속부품(410)은 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성된다.
한편, 상술한 바와 같이, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상부가 개방된 케이지(120)를 포함하는 제1금속부품(110)을 제조하는 단계의 경우, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)을 포함하고, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상기 제1금속부품(110)의 상부에 제2금속부품(410)을 형성하는 단계의 경우, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)을 포함한다.
즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 제1금속부품(110)의 경우, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)이, 상기 제1금속부품(110)의 상부면에 형성될 수 있고, 상기 제2금속부품(410)의 경우, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이, 상기 제2금속부품(410)의 하부면에 형성될 수 있다.
이때, 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품(10)은, 상기 제1금속부품(110)의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)과 상기 제2금속부품(410)의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이 접하는 경계면(420)을 포함한다.
이하에서는 본 발명에 따른 금속부품의 미세조직에 대해 설명하기로 한다.
도 5는 일반적인 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 금속재의 미세조직을 도시하는 사진이다.
도 5를 참조하면, 일반적인 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅을 사용하게 되면, 기존 캐스팅 재와는 달리 10000℃/s 정도로 급속 냉각을 일으키게 되어, 이에 따른 기존과는 다른 급속 냉각조직이 생기게 된다.
이러한 급속 냉각조직은 강도의 향상을 가져오는 가져오면서, 연신율은 줄어드는 경향이 있다.
이때, SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅의 경우, 연속적으로 적층을 하며 조형을 하는 특성상, 조형체 내부에 열이 쌓이게 되는데, 이는 조형을 하는 와중에 대부분 최상부의 노출된 면과 최하부의 시작면을 잇는 z축 방향으로 열이 빠져나가게 된다.
이러한 열이 빠져나가는 특성으로 인하여, 도 5에서와 같이, 적층을 하는 높이 방향인 z축 방향으로는 평행한 형태의 길다란 덴드라이트 미세조직(510, 520)이 생기게 되며, 이로 인해, 비등방성의 기계적 물성을 가지게 된다.
도 6은 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 본 발명에 따른 금속부품의 미세조직을 도시하는 사진이다. 이때, 도 6은 도 4의 I-I 선의 단면에 따른 미세조직으로 이해될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속부품(10)은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성된 상기 제1금속부품(110)의 경우, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)이, 상기 제1금속부품(110)의 상부면에 형성될 수 있고, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성된 상기 제2금속부품(410)의 경우, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이, 상기 제2금속부품(410)의 하부면에 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1금속부품(110)의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)과 상기 제2금속부품(410)의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이 접하는 경계면(420)을 포함한다.
한편, 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 금속부품(10)은, 상술한 도 5에서와 같이, 적층을 하는 높이 방향인 z축 방향으로는 평행한 형태의 길다란 덴드라이트 미세조직이 생기게 되며, 따라서, 상기 제1금속부품(110)은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직(610)을 포함하고, 상기 제2금속부품(410)은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직(620)을 포함한다.
이때, 본 발명에서는, 제1단계 금속 3D 프린팅 공정과 제2단계 금속 3D 프린팅 공정이 구분되어 진행되기 때문에, 연속적인 프린팅 공정의 사이에 일정 시간동안, 자연냉각 또는 인위적인 냉각이 일어나게 되며, 이로 인하여, 연속적인 공정에서 나타나는 z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 덴드라이트 형태의 미세조직이 경계면에서 끊어지며, 가로 방향으로 연장되는 미세조직(630)이, 상술한 상기 제1금속부품(110)의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)과 상기 제2금속부품(410)의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이 접하는 경계면(420)에 존재하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 금속부품(10)은, 상기 제1금속부품(110)은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직(610)을 포함하고, 상기 제2금속부품(410)은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직(620)을 포함하며, 상기 제1금속부품(110)의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)과 상기 제2금속부품(410)의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이 접하는 경계면(420)에 가로 방향으로 연장되는 미세조직(630)을 포함한다.
본 발명에서는 이와 같은 단계별 3D 프린팅 공정을 통하여, SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅에 의해 제조된 조형체에서 나타나는 비등방성의 기계적 물성을 감쇄시킬 수 있다.
도 7은 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 시편의 미세조직을 도시하는 사진이다. 이때, 도 7에서는 단계별 3D 프린팅 공정을 다수회로 구분하여 진행한 시편에 해당한다.
도 7을 참조하면, 단계별 3D 프린팅 공정을 다수회로 구분하여 진행한 시편의 경우, 도 6에서 설명되어진 바와 같이, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면에 가로 방향으로 연장되는 미세조직들(631, 632, 633)이 형성됨을 확인할 수 있고, 또한, 각각의 부분 시편(예를 들어, 도 6의 제1금속부품 및 제2금속부품을 의미함)들은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 덴드라이트 미세조직(611, 612, 613)을 포함함을 확인할 수 있다.
즉, 시편의 전체적인 Z축 방향 비등방성 감쇄를 위하여, 단층이 아닌 여러 층에 걸쳐, z축 방향으로 연장되는 형태의 덴드라이트 미세조직과 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 형성할 수 있으며, 이들은 각 단계별 3D 프린팅 공정에서 자연 냉각을 30분간 진행한 상태에 해당한다.
도 7에 도시된 바와 같이, Z축 방향의 덴드라이트 형상에서 중간 중간 여러층의 가로방향으로 연장되는 미세조직이 생김으로써, 전체적으로 미세조직의 비등방성이 감쇄된 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는, 단계별 3D 프린팅 공정을 통하여, 의도적으로 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 형성하며, z축 방향으로 연장되는 형태의 덴드라이트 미세조직을 단절시킴으로써, 미세조직의 비등방성을 감쇄시킬 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (8)
- 케이지를 포함하는 제1금속부품;
상기 케이지 내부에 위치하는 전자부품;
상기 케이지를 밀폐하는 커버; 및
상기 제1금속부품의 상부에 형성된 제2금속부품을 포함하고,
상기 케이지는 상부 테두리를 따라 형성되는 단차를 포함하고,
상기 커버는 상기 단차에 위치하여 상기 케이지를 밀폐하며,
상기 제1금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직을 포함하고, 상기 제2금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직을 포함하며, 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면에는 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 포함하고,
상기 제1금속부품은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성되고, 상기 전자부품이 상기 케이지에 삽입된 이후 별도로 준비된 상기 커버가 상기 단차에 배치되어 상기 케이지를 밀폐시키고, 상기 제2금속부품은 상기 커버에 의하여 상기 케이지가 밀폐된 상기 제1 금속부품 상에 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성되는 금속부품. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1금속부품은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면을 포함하고,
상기 제2금속부품은, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면을 포함하며,
상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면을 포함하는 금속부품. - 제 3 항에 있어서,
상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면은, 상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면인 것을 특징으로 하는 금속부품. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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