KR102260365B1

KR102260365B1 - 물품의 제조방법과 이에 의해 제조된 물품

Info

Publication number: KR102260365B1
Application number: KR1020190071309A
Authority: KR
Inventors: 최한신; 오지원
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2019-06-17
Publication date: 2021-06-03
Also published as: KR20200069206A

Abstract

본 발명은 3차원 성형체를 제조함에 있어서 성형체의 소정 위치에서의 탄화물 함량의 조절이 용이하여, 하나의 성형체 내에서 상이한 물성의 구현이 가능하도록 한 것에 관한 것이다.
본 발명에 따른 물품의 제조방법은, (a) 적층 모델에 따라 분말 베드에 바인더를 토출하여 성형하는 단계; (b) 성형체로부터 상기 바인더를 탈지하는 단계; 및 (c) 상기 탈지된 성형체에 용융 금속을 함침시켜 치밀화하는 단계;를 포함하고, 상기 바인더를 토출할 때 적층 모델에 따라 바인더 농도를 다르게 토출하여 상기 탈지된 성형체의 잔류 탄소의 함량을 상기 성형체의 위치별로 다르게 조절함으로써, 상기 잔류 탄소와 용융 금속 사이의 반응에 의해 생성되는 탄화물의 함량이 성형체의 위치별로 다르게 조절되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

물품의 제조방법과 이에 의해 제조된 물품 {MANUFACTURING METHOD FOR ARTICLES AND ARTICLES MANUFACTURED BY THE METHOD}

본 발명은 물품의 제조방법과 이에 의해 제조된 물품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 성형체를 제조함에 있어서 성형체의 소정 위치에서의 탄화물 함량의 조절이 용이하여, 하나의 성형체 내에서 상이한 물성의 구현이 가능하도록 한 것에 관한 것이다.

산업적으로 부품의 디자인이 복잡해지고 기능이 복합화하고 있는데, 이를 구현하기 위한 방법으로 서로 다른 물성을 가지는 부품을 독립적으로 제조하고 이를 조립이나 접합의 과정을 통해서 완제품화하는 기술이 일반적으로 사용되고 있다. 그런데 이러한 제조방법은 부품의 개별적 제조와, 이질적 특성을 가지는 부품의 접합의 어려움과 같은 생산성, 경제성 또는 품질의 문제를 유발한다.

최근 상용화되고 있는 3차원 프린팅 기술은 복잡한 형상을 가지는 제품을 별도의 몰드(mold) 없이 정형 생산할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그런데, 다기능이 요구되는 제품을 일체형으로 제조하기 위해서는 이종(異種) 소재를 이용한 적층 제조가 가능하여야 한다.

이종 소재의 이용 측면에서, 3차원 프린팅 기술은 크게 용기(vessel) 없이 적층 제조가 이루어지는 기술과, 일정한 용기 내에서 적층 제조가 이루어지는 기술로 구분될 수 있다.

용기 없는 적층 제조 기술의 일 예로 압출식 적층 제조 기술이 있다. 압출식 적층 제조 기술은 노즐을 통해서 압출물을 선형의 압출재 형태로 지정된 위치에 압출 적층하여 제품을 제조하므로 서로 다른 소재를 가진 압출기를 이용하거나 특수한 압출기 형태로 제작하여 압출전 압출기 내에서 조성을 조절하여 압출하는 방식으로 이종 소재를 이용한 적층물 제조가 가능하다.

한편, 용기 내에서 적층 작업이 이루어지는 경우에는 분말을 일정한 두께로 적층한 후 2차원의 패턴을 형성해야 한다. 따라서, 이종의 소재를 적용하기 위해서는 이종의 분말 베드(powder bed) 형성 기구가 적용되어야 하는데, 동일한 분말 적층에서 미소 영역에 대해서 이종 소재를 분포시키는 것은 기술적으로 매우 어렵다.

또한, 성형체 제조 공정이 종료된 이후에는 분말 베드 내에 성형체가 매립되어 있고, 성형체를 분말 베드에서 꺼내는 과정에 미사용 분말이 발생하게 되며, 일반적으로 미사용 분말은 일련의 재활용 과정을 통해서 재사용되나 이종 분말이 혼입된 경우에 이종 분말을 분리하는 것이 어려운 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제2018-0064515호

본 발명의 과제는, 원하는 위치에 요구되는 물성을 구현할 수 있도록 상 조성의 제어가 가능한 물품의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 물품을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은, (a) 적층 모델에 따라 분말 베드에 바인더를 토출하여 성형하는 단계; (b) 성형체로부터 상기 바인더를 탈지하는 단계; 및 (c) 상기 탈지된 성형체에 용융 금속을 함침시켜 치밀화하는 단계;를 포함하고, 상기 바인더를 토출할 때 적층 모델에 따라 바인더 농도를 다르게 토출하여 상기 탈지된 성형체의 잔류 탄소의 함량을 상기 성형체의 위치별로 다르게 조절함으로써, 상기 잔류 탄소와 용융 금속 사이의 반응에 의해 생성되는 탄화물의 함량이 성형체의 위치별로 다르게 조절되도록 하는, 물품의 제조방법을 제공한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 상기 방법으로 제조되고, 상기 분말의 성형체와 상기 성형체에 함침된 용융 금속을 포함하고, 상기 용융 금속과 탄소와의 반응에 의한 탄화물의 함량이 소정 패턴으로 형성된 물품을 제공한다.

본 발명에 의하면, 3차원 성형체를 제조할 때, 성형체의 원하는 위치별에 생성되는 탄화물의 함량 조정이 가능하여, 성형체 위치별로 물성이 상이한 복합소재를 제조할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 동일한 화학 조성을 갖는 원료 분말을 이용하되, 후속되는 공정을 통해 상 조성을 변화시킬 수 있기 때문에, 성형체 형성에 미사용된 분말의 재사용이 용이해져, 제조비용이 절감된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 공정도이다.
도 2는 바인더 젯팅 방식의 3차원 프린팅 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에서 사용되는 바인더 젯팅용 노즐 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 공정도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따라 제조된 물품의 기계적 특성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 공정도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시형태에 따라 제조한 3차원 물품의 예시도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 제조방법은, 서로 다른 물성을 가지는 복합재로 이루어진 3차원 형상의 물품을 제조하는 방법으로, (a) 적층 모델에 따라 분말 베드에 바인더를 토출하여 성형하는 단계; (b) 성형체로부터 상기 바인더를 탈지하는 단계; 및 (c) 상기 탈지된 성형체에 용융 금속을 함침시켜 치밀화하는 단계;를 포함하고, 상기 바인더를 토출할 때 적층 모델에 따라 바인더 농도를 다르게 토출하여 상기 탈지된 성형체의 잔류 탄소의 함량을 상기 성형체의 위치별로 다르게 조절함으로써, 상기 잔류 탄소와 용융 금속 사이의 반응에 의해 생성되는 탄화물의 함량이 성형체의 위치별로 다르게 조절되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 물품의 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계에 있어서 상기 바인더의 토출은, 상이한 농도를 갖는 바인더를 2 이상의 토출기를 사용하여 각각 독립적으로 토출할 수 있다.

또한, 상기 물품의 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계에 있어서 상기 바인더의 토출은, 용매와 바인더의 혼합비를 조절하여 하나의 토출기를 사용하여 토출할 수 있다.

또한, 상기 물품의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서 잔류 탄소가 일정 이상 생성되도록 탈지를 수행할 수 있다.

또한, 상기 물품의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계 후에 잔류 탄소의 양이 부족한 경우, 추가로 잔류 탄소 함량을 높이는 단계를 수행할 수 있다.

또한, 상기 물품의 제조방법에 있어서, 상기 추가로 잔류 탄소 함량을 높이는 단계는, (d) 상기 (b) 단계 후에 상기 성형체의 소정 위치에 바인더를 토출하거나, 또는 바인더에 함침하여 바인더를 부착하는 단계와, (e) 상기 부착된 바인더를 탈지하여 잔류 탄소가 생성되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 물품의 제조방법에 있어서, 상기 (d)와 (e) 단계를 소정 양의 잔류 탄소가 생성될 때까지 반복적으로 수행할 수 있다.

또한, 상기 물품의 제조방법에 있어서, 상기 (d) 단계 전에, 상기 (b) 단계에서 탈지된 성형체를 가소결하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 여기서, '가소결'이란 형상이 복잡한 성형체를 탈지 공정만 수행하고 용융 금속에 함침될 때 성형체의 형상이 파손되는 것을 막기 위한 것으로, 용융 금속이 함침될 수 있도록 개기공 구조가 형성될 수 있도록 분말간 소결 넥(sinter-neck) 정도만 형성될 수 있도록 하는 것을 의미한다.

또한, 상기 물품의 제조방법에 있어서, 상기 용융 금속은 상기 잔류 탄소와 반응하여 탄화물을 형성하는 성분을 포함할 수 있다.

또한, 상기 물품의 제조방법에 있어서, 상기 분말은 금속 또는 세라믹으로 이루어지고, 상기 용융 금속에 비해 융점이 높은 것이 바람직하다.

또한, 상기 물품의 제조방법에 있어서, 상기 용융 금속의 함침 전에, 성형체의 표면에, 탄소 입자가 분산된 분산액을 도포하거나, 바인더를 분무하여, 상기 성형체의 표면의 탄소 함량을 높이는 공정을 추가로 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 물품은 상기한 제조방법으로 제조되고, 상기 분말의 성형체와 상기 성형체에 함침된 용융 금속을 포함하고, 상기 용융 금속과 잔류 탄소와의 반응에 의한 탄화물의 함량이 위치별로 상이하게 제어된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 물품에 있어서, 상기 상기 용융 금속과 잔류 탄소와의 반응에 의한 탄화물의 함량은 2차원적으로 또는 두께적으로 경사적인 변화가 있도록 제어될 수 있다.

[제1 실시형태]

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 공정도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 물품의 제조방법은, 3차원 모델을 생성하는 단계(S110), 3차원 프린팅을 하는 단계(S120), 3차원 프린팅된 성형체를 탈지하는 단계(S130), 탈지된 성형체에 용융 금속을 함침하는 단계(S140), 후가공 단계(S150)를 통해 최종적으로 3차원 제품을 얻는다.

구체적으로, 3차원 모델을 생성하는 단계(S110)에서는, 출력하고자 하는 제품의 적층 모델을 생성하고, 적층에 관한 바인더의 농도 정보를 생성한다. 바인더는 결합력을 부여하기 위한 수지(resin)와 수지에 유동성을 부여하기 위한 용매를 포함하여 이루어진다. 또한, 바인더의 조성은 잔류 탄소 생성이 가능하고 3차원 프린팅을 위한 바인더 젯팅 공정이 가능한 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

상기 3차원 프린팅을 하는 단계(S120)에서는, 적층 모델에 따라 분말 베드에 사전에 정해진 바인더의 농도로 바인더를 소정의 위치에 토출하고 경화하여 상기 분말에 결합력을 부여함으로써 성형체를 제조한다. 여기서 '바인더의 농도'란 수지와 용매를 포함하는 바인더에 있어서 수지의 상대 함량을 의미한다. 즉, 농도가 높은 바인더는 수지 함량이 높고, 농도가 낮은 바인더는 수지 함량이 낮은 것을 의미한다.

본 발명에서 달성하고자 하는 기술적인 목표를 구현하기 위해서는 성형체의 3차원 위치에서 잔류 탄소량을 인위적으로 제어할 수 있어야 한다. 이를 위해서는, 바인더의 농도를 자유롭게 제어할 수 있는 바인더 토출 수단이 요구된다.

3차원 제품의 적층제조 과정에서 상이한 농도의 바인더를 토출하기 위해서 노즐은 적어도 2개 이상의 독립적인 공급 경로를 포함하여 이루어질 수 있다. 각각의 공급 경로에서는 바인더의 농도와 사용량에 따라 용액을 준비하는 장치를 포함할 수 있다. 바인더 농도는 분말 베드의 충진밀도, 잔류 탄소량 및 유동도에 따라서 결정되고 사용량은 분말 베드의 기공도, 바인더 충진율, 특정 바인더 토출 영역의 부피, 클리닝 소요량과 주기 등을 이용하여 결정할 수 있다.

적층용 바인더의 선정은 잉크젯 토출의 유변학적 특성과 잔탄량을 통해서 추정될 수 있다. 한편, 잉크젯 토출이 가능한 상한 농도를 기준으로 이보다 낮은 농도의 바인더를 사용할 수 있으므로 적층 제조를 통해서 구현할 수 있는 잔류 탄소량에는 한계가 있을 수밖에 없다. 적층 성형체 내의 잔류하는 탄소의 양을 추정하기 위한 탄소함유율은 아래 [식 1]을 사용할 수 있다.

[식 1]

탄소함유율 = a × b × c × d

a: 수지 원료의 잔탄율 (g/g)

b: 기공 부피비율(pore volume ratio) (㎤/㎤)

c: 포화율(saturation ratio) (㎤/㎤)

d: 바인더 농도 (g/g)

상기 수지 원료의 잔탄율은 탈지 과정에서 열분해 후 잔존하는 잔류 탄소의 무게비로 탈지 온도별로 실험적 측정값을 이용한다. 또한, 성형체 기공의 부피비는 분말의 충진율을 측정하여 계산한다. 또한, 바인더 충진율은 기공도 대비 바인더의 부피비를 통해서 계산한다. 이를 통해서 탄소함유율을 계산하고 이를 바인더 농도를 통해서 조절할 수 있다.

상기 탈지하는 단계(S130)에서는, 바인더가 경화된 성형체를 사용하는 700 ~ 900℃의 온도로 가열하여 바인더를 분해하여 제거한다. 탈지 온도는 사용되는 바인더의 종류에 따라 다르게 설정할 수 있다. 이때 바인더가 제거된 후에는 소정량의 탄소가 잔류하여 잔류 탄소가 생성되며, 잔류 탄소의 양은 바인더의 농도에 따라 달라진다. 즉, 바인더에 포함되는 수지의 함량이 높을 경우 탈지 후 잔류 탄소의 양이 많아지고, 바인더에 포함되는 수지의 함량이 낮을 경우 탈지 후 잔류 탄소의 양은 줄어든다.

상기 탈지된 성형체에 용융 금속을 함침하는 단계(S140)에서는, 잔류 탄소를 포함하는 성형체에 용융 금속을 투입하여 치밀화하는 단계이다. 이때, 성형체를 구성하는 분말의 융점이 함침되는 용융 금속에 비해 같거나 낮을 경우, 함침 과정에 성형체가 손상되므로, 성형체를 구성하는 분말의 융점은 용융 금속에 비해 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 분말의 경우, 세라믹, 금속 또는 이들이 혼합물 등이 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 후가공 단계(S150)에서는, 용융 금속이 함침되어 치밀화된 제품은 그 조직의 균일화나 물성 향상을 위한 후열처리, 성형된 제품의 치수 정밀도를 높이기 위한 기계 가공, 또는 표면처리 등이 행해질 수 있다.

도 2는 바인더 젯팅 방식의 3차원 프린팅 장치의 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 바인더 젯팅에 사용되는 3차원 프린팅 장치(1)는, 바인더 젯팅용 노즐 장치(10), 분말 공급 장치(20), 분말 성형 장치(30)를 포함하여 이루어진다.

상기 바인더 젯팅용 노즐 장치(10)는 바인더를 소정 농도가 되도록 혼합하여 저장된 저장공간으로부터 바인더를 추출하여, 분말 베드의 소정 위치에 특정한 농도의 바인더를 분사하기 위한 장치이다. 상기 분말 공급 장치(20)는 적층 과정에 필요한 분말을 공급하기 위한 장치로, 분말 용기(21)와 분말 용기로부터 제공된 분말을 분말 성형 장치(30)로 공급하기 위한, 예를 들어 피스톤(22)과, 롤러(23)와 같은 분말 이송수단이 구비된다. 상기 분말 성형 장치(30)는 분말을 수용하는 공간을 제공하는 용기(31)와, 1층씩 적층될 때마다 분말이 공급될 수 있도록 1층의 두께만큼 하부로 이동시키는 피스톤(32)이 구비된다.

도 3은 본 발명에 따른 물품의 제조방법에 사용되는 바인더 젯팅용 노즐 장치의 개략도이다. 도 3은 예시적인 것으로 3종의 바인더를 사용하는 노즐 장치의 구성이 제시되어 있으며, 사용하는 바인더의 종류는 제조하고자 하는 성형체의 형태에 따라 다양하게 조절될 수 있다.

상기 노즐 장치(10)는, 바인더를 제조하기 위한 수지 저장용기(10a)와 용매 저장용기(10b)와, 상기 수지 저장용기(10a)와 용매 저장용기(10b)로부터 수지와 용매를 정해진 양으로 추출하기 위한 제1 펌프(10c, 10c', 10c'')와, 추출된 수지와 용매를 혼합하기 위한 교반기(10d, 10d', 10d'')와, 혼합된 바인더를 이송시키기 위한 제2 펌프(10e, 10e', 10e'')와, 이송된 바인더를 저장하기 위한 적층용 바인더 저장용기(10f, 10f', 10f'')와, 저장된 바인더를 토출시키기 위한 프린팅 헤드(10g)를 포함하여 구성된다.

상기 제1 펌프(10c, 10c', 10c'')는 수지와 용매를 각각 3가지의 상이한 농도가 되도록 추출하여 3종류의 농도를 갖는 바인더를 제조할 수 있도록 하며, 이와 같이 만들어진 바인더는 프린팅 헤드(10g)의 이송경로를 따라서 노즐을 통해 토출된다.

또한, 도 3의 수지 저장용기(10a), 용매 저장용기(10b), 제1 펌프(10c, 10c', 10c''), 교반기(10d, 10d', 10d''), 제2 펌프(10e, 10e', 10e'')를 사용하지 않고, 서로 다른 농도를 갖는 바인더를 대량 생산한 후, 저장용기(10f, 10f', 10f'')에 직접 채우는 방식을 사용할 수도 있다. 이외에 바인더의 농도를 조절하여 토출시킬 수 있는 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있다.

[제2 실시형태]

바인더 젯팅에 사용될 수 있는 바인더의 농도는 잉크젯 토출이 가능한 최대 농도 이하의 것이 사용되어야 하므로, 제1 실시형태에서 구현할 수 있는 잔류 탄소량에는 한계가 있다. 본 발명의 제2 실시형태는, 제1 실시형태가 갖는 잔류 탄소량의 한계를 해소하기 위한 것이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 공정도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 물품의 제조방법은, 3차원 모델을 생성하는 단계(S210), 3차원 프린팅을 하는 단계(S220), 3차원 프린팅된 성형체를 탈지하는 단계(S230), 바인더를 함침하는 단계(S240), 함침된 바인더를 탈지하는 단계(S250), 탈지된 성형체에 용융 금속을 함침하는 단계(S260), 후가공 단계(S270)를 통해 최종적으로 3차원 완제품을 얻는다.

이중에서 상기 3차원 모델을 생성하는 단계(S210), 3차원 프린팅을 하는 단계(S220), 3차원 프린팅된 성형체를 탈지하는 단계(S230), 탈지된 성형체에 용융 금속을 함침하는 단계(S260) 및 후가공 단계(S270)는 제1 실시형태와 실질적으로 동일하므로 설명을 생략한다.

상기 바인더를 함침하는 단계(S240)는 탈지된 성형체 내부에 바인더를 투입시키는 공정으로, 성형체 내부에 잔류하는 탄소의 함량을 보다 증가시키기 위해 수행하는 것이나, 잔류 탄소량의 증대 외에도 다른 기능을 하는 성분을 부여하기 위한 목적으로도 사용될 수 있다. 사용되는 바인더는 3차원 프린팅 단계(S220)에서 사용된 바인더와 동일한 것을 사용하거나, 잉크젯 토출이 필요하지 않은 공정이므로 다른 성분의 것을 사용할 수도 있다. 또한, 잔류 탄소 함량의 절대값을 일정 이상으로 높이기 위해서, 용융 금속을 함침하는 단계(S260) 전에 잔류 탄소량이 소정 양에 도달할 때까지 상기 바인더 함침(S240)과 탈지 공정(S250)을 반복적으로 수행하는 것도 가능하다.

상기 함침된 바인더를 탈지하는 단계(S250)는, 함침된 바인더를 700 ~ 900℃의 온도로 가열하여 바인더를 분해하여 제거하거 일부분의 탄소가 잔류하도록 조절된다.

도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따라 제조된 물품의 기계적 특성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.

도 5는 실리콘 카바이드(SiC) 분말 베드에 페놀수지(Phenol resin)를 바인더로 사용하여 3차원 성형체를 제조하고 탈지한 후, 용융 실리콘을 함침시킨 복합물질로 이루어진 벌크재를 제조함에 있어서, 잔류 탄소량(바인더 함침량)에 따른 기계적 물성의 차이를 비교한 것이다.

상기 벌크재의 경우, 용융 금속인 실리콘의 함침과정을 통해, 성형체의 기공 구조를 통해 이동하는 용융 실리콘과 잔류 탄소가 반응하여 실리콘 카바이드(SiC)를 형성하게 된다. 이에 따라, 잔류 탄소가 많이 존재하는 영역의 용융 실리콘에는 다량의 실리콘 카바이드(SiC)가 포함되게 되고, 그렇지 않은 영역에서는 소량의 실리콘 카바이드(SiC)가 형성되어, 치밀화된 벌크재의 위치별로 상조성이 달라지게 된다.

도 5에서, 비교예(도면에 '함침'으로 표시한 것)의 경우, 바인더 젯팅공정 후 탈지 및 함침공정을 통해 제조한 것이다. 또한, 실시예의 경우, 바인더 젯팅 공정 및 탈지 후 페놀수지농도에 따른 함입 공정 후 탈지 및 함침공정을 통해 제조한 것이다.

도 5에서 확인되는 바와 같이, 바인더의 사용량에 따라, 탈지 후 잔류 탄소량에 차이가 나고, 결과적으로 후속 용융금속 함침 공정에서 생성되는 탄화물의 함량의 차이가 기계적 강도에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.

[제3 실시형태]

상기 제2 실시형태에 따라 바인더 함침 공정을 수행할 때, 복잡하지 않은 구조의 경우, 바인더 함침 공정 중에 성형체의 파손이 생기지 않으나, 복잡한 형상의 경우 바인더 함침 공정 중에 유입되는 바인더에 의해 성형체의 형상이 파손될 가능성이 있다. 본 발명의 제3 실시형태는, 제2 실시형태를 수행하는 과정에 발생할 수 있는 성형체 파손을 막기 위한 것이다.

도 6은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 공정도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시형태에 따른 물품의 제조방법은, 3차원 모델을 생성하는 단계(S310), 3차원 프린팅을 하는 단계(S320), 3차원 프린팅된 성형체를 탈지하는 단계(S330), 탈지된 성형체를 가소결하는 단계(S340), 바인더를 함침하는 단계(S350), 함침된 바인더를 탈지하는 단계(S360), 탈지된 성형체에 용융 금속을 함침하는 단계(S370), 후가공 단계(S380)를 통해 최종적으로 3차원 완제품을 얻는다.

제3 실시형태는 제2 실시형태에서 3차원 프린팅된 성형체를 탈지하는 단계(S230)와 바인더를 함침하는 단계(S240) 사이에 수행되는 탈지된 성형체를 가소결하는 단계(S340)를 제외하고는 실질적으로 동일하므로 동일한 단계에 대한 설명은 생략한다.

상기 탈지된 성형체를 가소결하는 단계(S340)는 성형체의 형상이 복잡하거나, 바인더를 추가적으로 함침할 때 성형체에 일정 이상의 강도가 요구되는 경우 수행된다. 가소결은 후속되는 공정에서 용융 금속이 함침될 수 있도록 성형체가 개기공 구조를 유지할 수 있도록 분말 입자 간의 소결 넥(sinter-neck)이 약간 형성된 정도가 바람직하다. 물론 바인더 함침 공정에 요구되는 물성에 맞추어 소결 정도는 조절될 수 있다.

도 7은 본 발명의 제3 실시형태에 따라 제조한 3차원 물품의 예시도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 내부에는 매우 복잡한 구조가 형성되어 있고, 내부의 구조물은 제품 전체 평균에 비해 상대적으로 탄화물의 함량이 높아 강도와 경도가 높은 물성을 나타내는 반면, 외부의 경우 탄화물의 함량이 낮아 높은 인성을 나타내도록 구현한 것이다. 이를 통해 복잡한 구조를 가지며 우수한 내마모 특성을 나타낼 수 있는 부품의 제조가 가능하게 된다.

[제4 실시형태]

상기 제1 ~ 제3 실시형태에 따른 물품의 제조방법에 있어서, 추가로 물품의 표면을 강화가 요구될 수 있으며, 제4 실시형태는 이를 위한 것이다.

용융 금속의 함침 공정 전에, 성형체 표면에 존재하는 탄소량을 증대시키게 되면, 표면에 존재하는 탄화물의 함량이 증대되어, 표면의 경도, 강도 등이 향상될 수 있다.

이를 위해서는, 제1 ~ 제3 실시형태에 있어서, 3차원 프린팅을 하는 단계와, 용융 금속의 함침 단계 사이에, 용매에 카본 블랙과 같은 탄소 물질을 분산한 혼탁액이나 바인더를 스프레이 방식으로 직접적으로 표면에 도포하는 방법과 같은 방법을 사용하여, 용융 금속의 함침 전에 성형체의 표면에 잔류하는 탄소의 량을 추가적으로 조절할 수 있다.

이때, 스프레이 방식은 처리하고자 하는 표면의 깊이와 품질에 따라서 기계적 분사의 방식을 취하거나 정전분무의 방식을 선택할 수 있다.

또한, 표면을 따라서 일정한 위치에만 도포가 필요한 경우에는 패턴을 이용하여 도포되는 위치를 선택하는 것이 가능하다. 특히, 이 경우는 용융금속 함침에서 발생하는 과잉의 용융금속이 공정 후 표면에 잔존하는 표면 결함을 제어하기 위한 목적으로 활용될 수 있다.

Claims

(a) 적층 모델에 따라 분말 베드에 바인더를 토출하여 성형하는 단계;
(b) 성형체로부터 상기 바인더를 탈지하는 단계; 및
(c) 상기 탈지된 성형체에 용융 금속을 함침시켜 치밀화하는 단계;를 포함하고,
상기 바인더를 토출할 때 적층 모델에 따라 바인더 농도를 다르게 토출하여 상기 탈지된 성형체의 잔류 탄소의 함량을 상기 성형체의 위치별로 다르게 조절함으로써, 상기 잔류 탄소와 용융 금속 사이의 반응에 의해 생성되는 탄화물의 함량이 성형체의 위치별로 다르게 조절되도록 하고,
상기 (b) 단계 후에 추가로 잔류 탄소 함량을 높이는 단계를 수행하고,
상기 추가로 잔류 탄소 함량을 높이는 단계는,
(d) 상기 (b) 단계 후에 상기 성형체의 소정 위치에 바인더를 토출하거나, 또는 바인더에 함침하여 바인더를 부착하는 단계와,
(e) 상기 부착된 바인더를 탈지하여 잔류 탄소가 생성되도록 하는 단계를 포함하는, 물품의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에 있어서 상기 바인더의 토출은, 상이한 농도를 갖는 바인더를 2 이상의 토출기를 사용하여 각각 독립적으로 토출하는, 물품의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에 있어서 상기 바인더의 토출은, 용매와 바인더의 혼합비를 조절하여 하나의 토출기를 사용하여 토출하는, 물품의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 잔류 탄소가 일정 이상 생성되도록 탈지를 수행하는, 물품의 제조방법.
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제1항에 있어서,
상기 (d)와 (e) 단계를 소정 양의 잔류 탄소가 생성될 때까지 반복적으로 수행하는, 물품의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계 전에, 상기 (b) 단계에서 탈지된 성형체를 가소결하는 단계를 추가로 포함하는, 물품의 제조방법.
제1항 내지 제4항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융 금속은 상기 잔류 탄소와 반응하여 탄화물을 형성하는 성분을 포함하는, 물품의 제조방법.
제1항 내지 제4항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분말은 금속 또는 세라믹으로 이루어지고, 상기 용융 금속에 비해 융점이 높은, 물품의 제조방법.
제1항 내지 제4항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융 금속의 함침 전에, 성형체의 표면에, 탄소 입자가 분산된 분산액을 도포하거나, 바인더를 분무하여, 상기 성형체의 표면의 탄소 함량을 높이는 공정을 추가로 수행하는, 물품의 제조방법.
제1항 내지 제4항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조되고, 상기 분말의 성형체와 상기 성형체에 함침된 용융 금속을 포함하고, 상기 용융 금속과 잔류 탄소와의 반응에 의한 탄화물의 함량이 위치별로 상이하게 제어된 물품.
제12항에 있어서,
상기 상기 용융 금속과 잔류 탄소와의 반응에 의한 탄화물의 함량은 2차원적으로 또는 두께적으로 경사적인 변화가 있도록 제어된 물품.