KR102277612B1 - 3차원 형상 조형물의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
뒤틀림 변형이 감소된 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 제공하기 위해, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 분말층 형성 및 광 빔의 조사에 의한 고화층 형성을 조형 플레이트 상에서 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서, 이후에 형성되는 후속 고화층에 대하여 선행하여 형성되는 적어도 1개의 선행 고화층을 후속 고화층보다 상대적으로 높은 온도 조건에서 형성하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
Description
본 발명은, 3차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 분말층으로의 광 빔 조사에 의해 고화층을 형성하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다.
광 빔을 분말 재료에 조사하는 것을 통해서 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법(일반적으로는 "분말 소결 적층법"이라고 칭해진다)은, 종래로부터 알려져 있다. 이러한 방법은, 이하의 공정 (ⅰ) 및 (ⅱ)에 근거하여 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복하여 실시하여 3차원 형상 조형물을 제조한다.
(ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하고, 이러한 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정.
(ⅱ) 얻어진 고화층의 위에 새로운 분말층을 형성하고, 마찬가지로 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정.
이와 같은 제조 기술에 따르면, 복잡한 3차원 형상 조형물을 단시간에 제조하는 것이 가능하게 된다. 분말 재료로서 무기질의 금속 분말을 이용하는 경우, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용할 수 있다. 한편, 분말 재료로서 유기질의 수지 분말을 이용하는 경우, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 각종 모델로서 사용할 수 있다.
분말 재료로서 금속 분말을 이용하고, 그것에 의해 얻어지는 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용하는 경우를 예로 든다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 우선, 스퀴징 블레이드(23)를 움직여 조형 플레이트(21) 상에 소정 두께의 분말층(22)을 형성한다(도 6(a) 참조). 그 다음에, 분말층(22)의 소정 개소에 광 빔 L을 조사하여 분말층(22)으로부터 고화층(24)을 형성한다(도 6(b) 참조). 계속하여, 얻어진 고화층(24)의 위에 새로운 분말층(22)을 형성하여 재차 광 빔을 조사하여 새로운 고화층(24)을 형성한다. 이와 같이 하여 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복하여 실시하면 고화층(24)이 적층되게 되고(도 6(c) 참조), 최종적으로는 적층화된 고화층(24)으로 이루어지는 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있다. 최하층으로서 형성되는 고화층(24)은 조형 플레이트(21)와 결합한 상태가 되므로, 3차원 형상 조형물과 조형 플레이트(21)는 일체화물을 이루게 되고, 그 일체화물을 금형으로서 사용할 수 있다.
상기 분말 소결 적층법에서는, 광 빔이 조사되는 분말층의 조사 개소가 소결 현상 또는 용융 고화 현상 등을 거치는 것에 의해 고화층(24)이 된다. 이러한 고화층(24)의 형성에 있어서는 분말 재료 사이의 공극이 감소되는 것 등에 기인하여, 도 7(a)에 나타내는 바와 같은 수축 응력이 생길 수 있다. 그 결과, 3차원 형상 조형물(100)과 그 토대의 조형 플레이트(21)의 일체화물에는 뒤틀림 변형이 생기기 쉬워진다(도 7(b) 참조). 다시 말해, 3차원 형상 조형물(100)에 대하여 소망 형상이 얻어지지 않을 우려가 있다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 뒤틀림 변형이 감소된 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 형태에서는, (ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 해당 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정 및 (ⅱ) 얻어진 고화층의 위에 새로운 분말층을 형성하고, 해당 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 조형 플레이트 상에서 교대로 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서, 이후에 형성되는 후속 고화층에 대하여 선행하여 형성되는 적어도 1개의 선행 고화층을 후속 고화층보다 상대적으로 높은 온도 조건에서 형성하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제조 방법에서는, 뒤틀림 변형이 감소된 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제조 방법의 시간에 따른 태양을 모식적으로 나타낸 단면도이다(도 2(a) : 선행 고화층의 형성, 도 2(b) : 후속 고화층의 형성, 도 2(c) : 3차원 형상 조형물의 제조 완료).
도 3은 조형 플레이트 및 선행 고화층에서 생길 수 있는 응력을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 3차원 형상 조형물에 생길 수 있는 뒤틀림 응력을 나타낸 그래프이다.
도 5는 조형 플레이트의 가열 수단을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 분말 소결 적층법이 실시되는 광 조형 복합 가공의 프로세스 태양을 모식적으로 나타낸 단면도이다(도 6(a) : 분말층 형성 시, 도 6(b) : 고화층 형성 시, 도 6(c) : 적층 도중).
도 7은 분말 소결 적층법에서 3차원 형상 조형물에 뒤틀림 변형이 생기는 현상을 모식적으로 나타낸 단면도이다(도 7(a) : 수축 응력이 발생한 고화층, 도 7(b) : 뒤틀림 변형한 3차원 형상 조형물).
도 8은 광 조형 복합 가공기의 구성을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 9는 광 조형 복합 가공기의 일반적인 동작을 나타내는 플로차트이다.
도 2는 본 발명의 제조 방법의 시간에 따른 태양을 모식적으로 나타낸 단면도이다(도 2(a) : 선행 고화층의 형성, 도 2(b) : 후속 고화층의 형성, 도 2(c) : 3차원 형상 조형물의 제조 완료).
도 3은 조형 플레이트 및 선행 고화층에서 생길 수 있는 응력을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 3차원 형상 조형물에 생길 수 있는 뒤틀림 응력을 나타낸 그래프이다.
도 5는 조형 플레이트의 가열 수단을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 분말 소결 적층법이 실시되는 광 조형 복합 가공의 프로세스 태양을 모식적으로 나타낸 단면도이다(도 6(a) : 분말층 형성 시, 도 6(b) : 고화층 형성 시, 도 6(c) : 적층 도중).
도 7은 분말 소결 적층법에서 3차원 형상 조형물에 뒤틀림 변형이 생기는 현상을 모식적으로 나타낸 단면도이다(도 7(a) : 수축 응력이 발생한 고화층, 도 7(b) : 뒤틀림 변형한 3차원 형상 조형물).
도 8은 광 조형 복합 가공기의 구성을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 9는 광 조형 복합 가공기의 일반적인 동작을 나타내는 플로차트이다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태를 보다 상세하게 설명한다. 도면에 있어서의 각종 요소의 형태 및 치수는, 어디까지나 예시에 지나지 않고, 실제의 형태 및 치수를 반영하는 것이 아니다.
본 명세서에 있어서 "분말층"이란, 예컨대 "금속 분말로 이루어지는 금속 분말층" 또는 "수지 분말로 이루어지는 수지 분말층"을 의미하고 있다. 또한 "분말층의 소정 개소"란, 제조되는 3차원 형상 조형물의 영역을 실질적으로 가리키고 있다. 따라서, 이러한 소정 개소에 존재하는 분말에 대하여 광 빔을 조사하는 것에 의해, 그 분말이 소결 또는 용융 고화하여 3차원 형상 조형물을 구성하게 된다. 또한 "고화층"이란, 분말층이 금속 분말층인 경우에는 "소결층"을 의미하고, 분말층이 수지 분말층인 경우에는 "경화층"을 의미하고 있다.
또한, 본 명세서에서 직접적 또는 간접적으로 설명되는 "상하"의 방향은, 예컨대 조형 플레이트와 3차원 형상 조형물의 위치 관계에 근거하는 방향이고, 조형 플레이트를 기준으로 하여 3차원 형상 조형물이 제조되는 쪽을 "위 방향"이라고 하고, 그 반대쪽을 "아래 방향"이라고 한다.
[분말 소결 적층법]
우선, 본 발명의 제조 방법의 전제가 되는 분말 소결 적층법에 대하여 설명한다. 특히 분말 소결 적층법에 있어서 3차원 형상 조형물의 절삭 처리를 부가적으로 행하는 광 조형 복합 가공을 예로서 든다. 도 6은 광 조형 복합 가공의 프로세스 태양을 모식적으로 나타내고 있고, 도 8 및 도 9는 분말 소결 적층법과 절삭 처리를 실시할 수 있는 광 조형 복합 가공기의 주된 구성 및 동작의 플로차트를 각각 나타내고 있다.
광 조형 복합 가공기(1)는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 분말층 형성 수단(2), 광 빔 조사 수단(3) 및 절삭 수단(4)을 구비하고 있다.
분말층 형성 수단(2)은, 금속 분말 또는 수지 분말 등의 분말을 소정 두께로 까는 것에 의해 분말층을 형성하기 위한 수단이다. 광 빔 조사 수단(3)은, 분말층의 소정 개소에 광 빔 L을 조사하기 위한 수단이다. 절삭 수단(4)은, 적층화된 고화층의 측면, 즉, 3차원 형상 조형물의 표면을 깎기 위한 수단이다.
분말층 형성 수단(2)은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 분말 테이블(25), 스퀴징 블레이드(23), 조형 테이블(20) 및 조형 플레이트(21)를 주로 갖고 이루어진다. 분말 테이블(25)은, 외주가 벽(26)으로 둘러싸인 분말 재료 탱크(28) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 스퀴징 블레이드(23)는, 분말 테이블(25) 상의 분말(19)을 조형 테이블(20) 상으로 제공하여 분말층(22)을 얻기 위해 수평 방향으로 이동할 수 있는 블레이드이다. 조형 테이블(20)은, 외주가 벽(27)으로 둘러싸인 조형 탱크(29) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 그리고, 조형 플레이트(21)는, 조형 테이블(20) 상에 배치되고, 3차원 형상 조형물의 토대가 되는 플레이트이다.
광 빔 조사 수단(3)은, 도 8에 나타내는 바와 같이, 광 빔 발진기(30) 및 갈바노 미러(31)를 주로 갖고 이루어진다. 광 빔 발진기(30)는, 광 빔 L을 발하는 기기이다. 갈바노 미러(31)는, 발하여진 광 빔 L을 분말층(22)에 스캐닝하는 수단, 즉, 광 빔 L의 주사 수단이다.
절삭 수단(4)은, 도 8에 나타내는 바와 같이, 엔드 밀(40) 및 구동 기구(41)를 주로 갖고 이루어진다. 엔드 밀(40)은, 적층화된 고화층의 측면, 즉, 3차원 형상 조형물의 표면을 깎기 위한 절삭 공구이다. 구동 기구(41)는, 엔드 밀(40)을 소망하는 절삭 개소로 이동시키는 수단이다.
광 조형 복합 가공기(1)의 동작에 대하여 상술한다. 광 조형 복합 가공기(1)의 동작은, 도 9의 플로차트에 나타내는 바와 같이, 분말층 형성 스텝(S1), 고화층 형성 스텝(S2) 및 절삭 스텝(S3)으로 구성되어 있다. 분말층 형성 스텝(S1)은, 분말층(22)을 형성하기 위한 스텝이다. 이러한 분말층 형성 스텝(S1)에서는, 우선 조형 테이블(20)을 Δt 내리고(S11), 조형 플레이트(21)의 상면과 조형 탱크(29)의 상단면의 레벨 차이가 Δt가 되도록 한다. 그 다음에, 분말 테이블(25)을 Δt 올린 후, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이 스퀴징 블레이드(23)를 분말 재료 탱크(28)로부터 조형 탱크(29)로 향해서 수평 방향으로 이동시킨다. 이것에 의해, 분말 테이블(25)에 배치되어 있던 분말(19)을 조형 플레이트(21) 상으로 이송시킬 수 있고(S12), 분말층(22)의 형성이 행해진다(S13). 분말층(22)을 형성하기 위한 분말 재료로서는, 예컨대 "평균 입경 5㎛~100㎛ 정도의 금속 분말" 및 "평균 입경 30㎛~100㎛ 정도의 나일론, 폴리프로필렌 또는 ABS 등의 수지 분말"을 들 수 있다. 분말층(22)이 형성되면, 고화층 형성 스텝(S2)으로 이행한다. 고화층 형성 스텝(S2)은, 광 빔 조사에 의해 고화층(24)을 형성하는 스텝이다. 이러한 고화층 형성 스텝(S2)에 있어서는, 광 빔 발진기(30)로부터 광 빔 L을 발하고(S21), 갈바노 미러(31)에 의해 분말층(22) 상의 소정 개소에 광 빔 L을 스캐닝한다(S22). 이것에 의해, 분말층(22)의 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 고화층(24)을 형성한다(S23). 광 빔 L로서는, 탄산 가스 레이저, Nd:YAG 레이저, 파이버 레이저 또는 자외선 등을 이용하더라도 좋다.
분말층 형성 스텝(S1) 및 고화층 형성 스텝(S2)은, 교대로 반복하여 실시한다. 이것에 의해, 도 6(c)에 나타내는 바와 같이 복수의 고화층(24)이 적층화된다.
적층화된 고화층(24)이 소정 두께에 이르면(S24), 절삭 스텝(S3)으로 이행한다. 절삭 스텝(S3)은, 적층화된 고화층(24)의 측면, 즉, 3차원 형상 조형물의 표면을 깎기 위한 스텝이다. 엔드 밀(40)(도 6(c) 및 도 8 참조)을 구동시키는 것에 의해 절삭 스텝이 개시된다(S31). 예컨대, 엔드 밀(40)이 3㎜의 유효 칼날 길이를 갖는 경우, 3차원 형상 조형물의 높이 방향을 따라 3㎜의 절삭 처리를 행할 수 있으므로, Δt가 0.05㎜이면 60층만큼의 고화층(24)이 적층된 시점에 엔드 밀(40)을 구동시킨다. 구체적으로는 구동 기구(41)에 의해 엔드 밀(40)을 이동시키면서, 적층화된 고화층(24)의 측면에 대하여 절삭 처리를 실시하게 된다(S32). 이와 같은 절삭 스텝(S3)의 마지막에는, 소망하는 3차원 형상 조형물이 얻어졌는지 여부를 판단한다(S33). 소망하는 3차원 형상 조형물이 여전히 얻어지지 않은 경우에는, 분말층 형성 스텝(S1)으로 돌아간다. 이후, 분말층 형성 스텝(S1)~절삭 스텝(S3)을 반복하여 실시하여 추가적인 고화층의 적층화 및 절삭 처리를 실시하는 것에 의해, 최종적으로 소망하는 3차원 형상 조형물이 얻어진다.
[본 발명의 제조 방법]
본 발명은, 상술한 분말 소결 적층법에 있어서 고화층의 형성 태양에 특징을 갖고 있다.
구체적으로는, 본 발명의 제조 방법에서는, 3차원 형상 조형물을 구성하는 복수의 고화층의 형성에 대하여 상대적으로 온도 조건을 바꾼다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 이후에 형성되는 후속 고화층(24B)에 대하여 선행하여 형성되는 적어도 1개의 선행 고화층(24A)을 후속 고화층(24B)보다 상대적으로 높은 온도 조건에서 형성한다. 다시 말해, 본 발명에서는, 시간적으로 선행하는 고화층을, 그 후에 형성하는 고화층보다 높은 온도 조건에서 형성한다. 하기에서 상술하지만, 본원 발명자들은, 최종적으로 얻어지는 3차원 형상 조형물의 뒤틀림 변형을 일으키는 주된 요인이 될 수 있는 안쪽 방향의 응력이 조형 플레이트와 3차원 형상 조형물의 계면 영역에 특히 생길 수 있는 것을 발견하고 있고(도 4 참조), 해당 계면 영역에 있어서의 안쪽 방향의 응력을 어떻게 줄이는가 하는 생각에 근거하여 본 발명을 생각해 내고 있다. 구체적으로는, 본원 발명자들은, 3차원 형상 조형물의 뒤틀림 변형을 줄이기 위해, 해당 계면 영역에 있어서의 안쪽 방향의 응력과는 반대 방향의 힘을 어떻게 형성하는가 하는 생각에 근거하여 본 발명을 생각해 내고 있다.
보다 구체적인 태양에 근거하여 설명한다. 우선, 조형 플레이트(21) 상에 상대적으로 높은 온도 조건에서 선행 고화층(24A)을 형성한다(도 2(a) 참조). 선행 고화층(24A)의 형성 후, 이러한 선행 고화층(24A) 상에 상대적으로 낮은 온도 조건에서 후속 고화층(24B)을 형성한다(도 2(b) 참조). 후속 고화층(24B)의 형성이 반복하여 실시되면, 최종적으로 3차원 형상 조형물(100)이 얻어지게 된다(도 2(c) 참조). 이와 같은 태양으로부터 알 수 있듯이, 본 발명은, 3차원 형상 조형물의 바닥 쪽에 위치하는 고화층과, 그 바닥 쪽 이외의 고화층을 적극적으로 상이한 온도 조건에서 형성하는 기술 사상을 갖고 있다.
본 명세서에서 말하는 "선행"이란 시간적으로 "앞서는 것"을 의미하고 있고, 그러므로, "선행 고화층"이라고 하는 용어는, 상대적으로 조기에 형성되는 고화층을 가리키고 있다. 한편, 본 명세서에서 말하는 "후속"이란 시간적으로 "나중이 되는" 것을 의미하고 있고, 그러므로, "후속 고화층"이라고 하는 용어는, 상대적으로 후기에 형성되는 고화층을 가리키고 있다.
또한, 본 명세서에서 말하는 "높은 온도 조건"이란, 넓은 의미로는, 고화층 형성 시에 있어서의 온도가 높은 것을 의미하고 있고, 좁은 의미로는, 고화층 형성을 위한 분말층(고화층의 전구 단계의 층에 상당하는 분말층)의 온도가 높은 것을 의미하고 있다. 따라서, 전형적인 예로 말하면, "상대적으로 높은 온도 조건"은, 선행 고화층을 형성하기 위한 분말층의 온도가, 후속 고화층을 형성하기 위한 분말층의 온도보다 높은 것을 의미하고 있다.
"상대적으로 높은 온도 조건"은 조형 플레이트의 온도에 의해 형성하더라도 좋다. 다시 말해, 선행 고화층 형성을 위한 상대적으로 높은 온도 조건을 조형 플레이트의 온도에 의해 달성하더라도 좋다. 선행 고화층은 조형 플레이트 상에 직접적으로 형성되는 바, 이러한 조형 플레이트의 열이 "선행 고화층의 형성을 위한 분말층"에 전해져 "상대적으로 높은 온도 조건"이 되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 조형 플레이트가 높은 온도로 되어 있을 필요가 있고, 그러므로, 조형 플레이트의 가열이 바람직하다. 조형 플레이트가 가열되면, 조형 플레이트가 고온화되고, 이러한 고온화된 조형 플레이트의 열이 "선행 고화층의 형성을 위한 분말층"에 전해져 "상대적으로 높은 온도 조건"이 얻어지게 된다.
본 발명의 제조 방법에서는, 선행 고화층이 후속 고화층보다 상대적으로 높은 온도 조건에서 형성되는 것에 의해, 최종적으로 얻어지는 3차원 형상 조형물의 뒤틀림 변형을 줄일 수 있다. 상정되는 메커니즘에 대하여, 특정한 이론에 구속되지 않는 것을 전제로 상술하여 둔다. 선행 고화층을 상대적으로 높은 온도 조건에서 형성하는 경우, 그것을 위해 고온화된 조형 플레이트는, 열팽창에 기인하여, 바깥쪽으로 향해서 응력이 생기기 쉬운 경향이 있다. 한편, 선행 고화층의 형성에 있어서는, 도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하여 설명한 현상과 같이, 분말 재료 사이의 공극이 감소되는 것 등에 의해, 고화층(24)에 수축 응력이 생길 수 있다. 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 고온화된 조형 플레이트(21)에서 생기는 응력(21')은, 어디까지나 열팽창에 기인하므로, 그 방향은 퍼지는 방향, 즉, "바깥 방향"이 되는 것에 비하여, 선행 고화층(24A)에서 생기는 응력(24A')의 방향은 반대가 된다. 따라서, 3차원 형상 조형물의 제조에 있어서는, 그러한 응력(24A', 21')이 서로 상쇄되도록 작용하고, 결과적으로, 3차원 형상 조형물의 뒤틀림 변형이 방지될 수 있다.
또, 후속 고화층도 마찬가지로 높은 온도 조건에서 형성하는 것도 생각할 수 있다. 그렇지만, 3차원 형상 조형물의 제조 시에 생기는 응력은, 특히 제조 초기에 상대적으로 크게 생기고, 그 이후에는 응력이 작은 것이 발견되어 있다(도 4 참조). 보다 구체적으로는, 도 4로부터 알 수 있듯이, 3차원 형상 조형물의 저면 근방에 특히 큰 응력이 생기고, 3차원 형상 조형물의 저면으로부터 떨어진 위치가 될수록 응력이 작아진다. 다시 말해, 후속 고화층의 형성 시에 생기는 응력은 크지 않다. 또한, 원래 "높은 온도"라는 것은 3차원 형상 조형물의 치수 정밀도에 불리하게 작용할 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 후속 고화층의 온도 조건은, 선행 고화층의 온도 조건보다 높게 할 필요가 없고, "선행 고화층을 후속 고화층보다 상대적으로 높은 온도 조건에서 형성하게" 된다.
도 4에 나타내는 바와 같이 3차원 형상 조형물의 저면 근방에 큰 응력이 생기는 사상에 근거하면, 높은 온도 조건에서 형성하는 선행 고화층의 높이 레벨은 어느 범위 내에서 좋다고 할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 제조 방법에서는, 적어도 1개의 선행 고화층의 두께를 조형 플레이트로부터 소정의 높이 범위 내로 하더라도 좋다. 어디까지나 예시에 지나지 않지만, 이러한 적어도 1개의 선행 고화층의 두께는 조형 플레이트의 위쪽 표면으로부터 5㎜ 이내로 하더라도 좋다. 이 경우, 조형 플레이트의 위쪽 표면으로부터 5㎜ 이내의 범위가 되는 선행 고화층(예컨대, 1개의 선행 고화층의 두께가 0.05㎜이면, 제 1 층으로부터 제 100 층까지의 고화층)을 상대적으로 높은 온도 조건에서 형성한다.
본 발명의 어느 적합한 태양에서는, 조형 플레이트에 접하는 제 1 층째의 분말층의 형성에 앞서 조형 플레이트의 가열을 개시한다. 다시 말해, 적어도 1개의 선행 고화층 형성을 위해 이용하는 제 1 층째의 분말층을 조형 플레이트 상에 형성하기 전에, 조형 플레이트의 가열을 개시하여 둔다. 이것에 의해 조형 플레이트가 고온화되고, "3차원 형상 조형물의 저면 근방에 생기는 큰 응력(24A')"에 저항하는 바깥 방향의 응력(21')을 조형 플레이트(21)에서 보다 적합하게 발생시킬 수 있다(도 3 참조). 다시 말해, 보다 효율적으로 3차원 형상 조형물의 뒤틀림 변형을 방지할 수 있게 된다.
이하에 있어서는, 본 발명의 일 실시 형태와 관련되는 제조 방법을 시간에 따라 설명한다.
(1) 조형 플레이트의 준비
우선, 조형 플레이트를 준비한다. 여기서 준비하는 조형 플레이트는, 분말 소결 적층법에서 상투적으로 이용되는 조형 플레이트이더라도 좋다. 예컨대 분말로서 금속 분말을 이용하는 것에 의해 고화층으로서 소결층(철계 재료로 이루어지는 소결층)을 형성하는 경우, 조형 플레이트의 재질은, 스틸, 초경합금, 고속도 공구강, 합금 공구강, 스테인리스강 및 기계 구조용 탄소강으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 재질이더라도 좋다. 또한, 조형 플레이트는, 어디까지나 "플레이트"이기 때문에, 전형적으로는 전체적으로 편평한 상태로 되어 있는 것이 바람직하다. 조형 플레이트의 구체적인 형상은, 제조되는 3차원 형상 조형물에 대하여 "토대"를 제공하는 것이면, 어느 형상이더라도 좋다. 그러므로, 조형 플레이트의 형상은, 직방체 형상으로 특별히 한정되지 않고, 원판 형상 또는 다각기둥 형상 등이더라도 좋다.
(2) 조형 플레이트의 가열
조형 플레이트에 대하여 가열 처리를 행한다. 이러한 가열 처리에 의해, 조형 플레이트가 고온화되고 열팽창이 생기게 된다. 열팽창이 생기면, 조형 플레이트가 부풀어 오르는 방향, 즉 바깥 방향으로 응력이 생기게 된다.
조형 플레이트의 가열 방법으로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대 이하를 들 수 있다.
- 조형 플레이트의 표면을 광 빔 조사하는 것에 의한 조형 플레이트의 부분 가열
- 조형 플레이트의 내부 및/또는 측면에 배치한 히터를 이용하는 조형 플레이트의 전체 가열
- 조형 플레이트를 지지하는 조형 테이블의 내부 또는 측면에 설치한 히터를 이용하는 조형 플레이트의 전체 가열
- 조형 플레이트를 지지하는 조형 테이블의 내부에 마련된 온도 조절 관에 대하여 온수 또는 증기를 흘리는 것에 의한 조형 플레이트의 전체 가열
- 적외선 방사에 의한 조형 플레이트의 전체 가열 또는 부분 가열
- 전자 유도 가열에 의한 조형 플레이트의 전체 가열 또는 부분 가열
또, 상기 예시에 있어서의 "전체 가열"이란 조형 플레이트의 중심 부분까지 열이 전해지도록 조형 플레이트가 전체적으로 고온화되는 것을 의미하고 있다.
상기의 조형 테이블 내부에 히터를 마련하는 태양 및 조형 테이블의 온도 조절 관에 온수 또는 증기를 흘리는 태양에서는, 조형 테이블의 저면 쪽 및 측면 쪽에 인접하는 영역에 있어 바람직하지 않은 열 영향이 생각된다. 그러므로, 이러한 열 영향을 줄이기 위해, 히터 또는 온도 조절 관(50)이 마련된 조형 테이블(20)의 저면 및 측면에 대하여 단열재(60)를 마련하더라도 좋다(도 5 참조). 이러한 단열재(60)로서는, 예컨대 수지재를 이용하더라도 좋다.
(3) 선행 고화층의 형성
가열 처리에 의해 고온화된 조형 플레이트(21) 상에 분말층을 형성하고, 이러한 분말층에 광 빔을 조사하여 선행 고화층(24A)을 형성한다(도 2(a) 참조). 선행 고화층(24A)의 형성을 위해 이용되는 분말층은 조형 플레이트(21)에 접하므로, 고온화된 조형 플레이트(21)로부터의 열이, 이러한 분말층에 전해지게 된다. 이와 같이 분말층이 높은 온도를 갖는 조건 하(특히, 후속 고화층 형성을 위한 분말층의 온도보다 상대적으로 높은 온도가 되는 조건 하)에서 선행 고화층(24A)의 형성을 행한다. 다시 말해, 상대적으로 높은 온도를 갖는 분말층에 대하여 광 빔을 조사하여 선행 고화층(24A)을 형성한다.
선행 고화층(24A)은 1층뿐이더라도 좋고, 혹은, 복수 층으로 이루어지는 것이더라도 좋다(도 2(a)의 인출도 참조). 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대, 선행 고화층(24A)은, 1~100층, 바람직하게는 1~50층, 보다 바람직하게는 1~20층으로 이루어지는 것이더라도 좋다.
(4) 후속 고화층의 형성
선행 고화층(24A)의 형성 후, 선행 고화층(24A) 상에 새로운 분말층을 형성하고, 이러한 분말층에 광 빔을 조사하여 후속 고화층(24B)을 형성한다(도 2(b) 참조). 후속 고화층(24B)의 형성을 반복하여 실시하면, 최종적으로 3차원 형상 조형물(100)을 얻을 수 있다(도 2(c) 참조). 또, "높은 온도"라는 것은 3차원 형상 조형물(100)의 치수 정밀도의 관점에서 원칙적으로 바람직하지 않으므로, 후속 고화층(24B)의 온도 조건은, 선행 고화층(24A)의 온도 조건보다 높게 할 필요는 없다. 바꿔 말하면, 후속 고화층(24B)의 불필요한 열팽창을 방지하는 관점으로부터, 차후에 형성하는 후속 고화층(24B)은 선행 고화층(24A)보다 상대적으로 낮은 온도 조건에서 형성하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 선행 고화층(24A)의 형성 시에 있어서의 온도 조건과의 온도 차이가 예컨대 100℃ 미만이 되도록 후속 고화층(24B)의 형성을 상대적으로 낮은 온도 조건 하에서 행하더라도 좋다. 이것은, 후속 고화층(24B)의 형성 시에 있어서의 온도 조건과의 온도 차이가 예컨대 100℃ 미만이 되도록 상대적으로 높은 온도 조건 하에서 선행 고화층(24A)의 형성을 행하는 것을 의미하고 있다.
상기에 있어서는 본 발명의 이해를 위해 전형적인 실시 형태를 설명했지만, 본 발명의 제조 방법으로서는, 다양한 구체적인 실시 형태가 생각된다.
(상대적으로 높은 온도 조건의 측정 태양)
본 발명에서는, 선행 고화층을 후속 고화층보다 상대적으로 높은 온도 조건에서 형성하지만, 선행 고화층 및 후속 고화층의 온도 조건을 직접 제어하는 것은 용이하지 않다. 그 때문에, 예컨대, 선행 고화층과 접하는 조형 플레이트 또는 그 바로 아래의 조형 테이블에 마련한 히터 등의 설정 온도를 적당히 변경하는 것에 의해, 선행 고화층 및 후속 고화층의 온도 조건을 제어하더라도 좋다. 바꿔 말하면, 조형 플레이트 또는 조형 테이블에 마련된 가열원의 설정 온도를 후속 고화층보다 선행 고화층의 형성 시에 높게 하는 것에 의해 "상대적으로 높은 온도 조건"을 형성하더라도 좋다.
(조형 플레이트의 열팽창에 따른 광 빔 조사 조건)
조형 플레이트의 가열에 의해 "상대적으로 높은 온도"를 형성하는 경우, 조형 플레이트의 열팽창에 기인하여, 그 조형 플레이트 상에 형성되는 분말층의 두께가 균일하게 되지 않는 경우가 생각된다. 이러한 경우, 분말층의 형성에 앞서 스퀴징 블레이드와 조형 플레이트의 사이의 거리를 측정하고, 해당 거리에 따라 분말층의 국소적인 개소에 대한 광 빔의 조사 조건을 적당히 변경하더라도 좋다. 이것에 의해 "분말층의 두께의 국소적인 차이에 기인하여 고화층의 밀도가 균일하게 되지 않게 된다"고 하는 문제를 줄일 수 있다. 구체적으로는, 스퀴징 블레이드와 조형 플레이트의 사이의 이격 치수가 상대적으로 작은 개소에 위치하는 분말층 부분에 대해서는 광 빔 조사 속도를 보다 올리거나, 광 빔 조사 출력을 보다 작게 하거나 하더라도 좋다. 한편, 스퀴징 블레이드와 조형 플레이트의 사이의 이격 치수가 상대적으로 큰 개소에 위치하는 분말층 부분에 대해서는 광 빔 조사 속도를 보다 내리거나, 광 빔 조사 출력을 보다 크게 하거나 하더라도 좋다.
이상, 본 발명의 일 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명의 적용 범위 중 전형적인 예를 예시한 것에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 다양한 개변이 이루어질 수 있는 것을 당업자는 용이하게 이해할 것이다.
또, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시 형태는, 다음의 적합한 태양을 포함하고 있다.
제 1 태양 :
(ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 그 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정 및 (ⅱ) 얻어진 고화층의 위에 새로운 분말층을 형성하고, 그 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 조형 플레이트 상에서 교대로 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서, 이후에 형성되는 후속 고화층에 대하여 선행하여 형성되는 적어도 1개의 선행 고화층을 그 후속 고화층보다 상대적으로 높은 온도 조건에서 형성하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 2 태양 :
상기 제 1 태양에 있어서, 상기 적어도 1개의 상기 선행 고화층의 두께가 상기 조형 플레이트로부터 소정의 높이 범위 내에 있는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 3 태양 :
상기 제 1 태양 또는 제 2 태양에 있어서, 상기 상대적으로 높은 온도 조건을 상기 조형 플레이트의 온도에 의해 형성하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 4 태양 :
상기 제 3 태양에 있어서, 상기 조형 플레이트에 접하는 제 1 층째의 분말층의 형성에 앞서 그 조형 플레이트의 가열을 개시하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
(산업상 이용가능성)
본 발명의 일 실시 형태와 관련되는 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 실시하는 것에 의해, 다양한 물품을 제조할 수 있다. 예컨대, "분말층이 무기질의 금속 분말층이고, 고화층이 소결층이 되는 경우"에는, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 플라스틱 사출 성형용 금형, 프레스 금형, 다이캐스트 금형, 주조 금형, 단조 금형 등의 금형으로서 이용할 수 있다. 한편, "분말층이 유기질의 수지 분말층이고, 고화층이 경화층이 되는 경우"에는, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 수지 성형품으로서 이용할 수 있다.
(관련 출원의 상호 참조)
본 출원은, 일본 특허 출원 제 2016-045898호(출원일 : 2016년 3월 9일, 발명의 명칭 : "3차원 형상 조형물의 제조 방법")에 근거하는 파리 조약 상의 우선권을 주장한다. 해당 출원에 개시된 내용은 모두, 이 인용에 의해, 본 명세서에 포함되는 것으로 한다.
21 : 조형 플레이트
24A : 선행 고화층
24B : 후속 고화층
100 : 3차원 형상 조형물
24A : 선행 고화층
24B : 후속 고화층
100 : 3차원 형상 조형물
Claims (4)
- (ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 그 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정과,
(ⅱ) 얻어진 고화층의 위에 새로운 분말층을 형성하고, 그 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정
에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 조형 플레이트 상에서 교대로 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
조형 플레이트를 가열 처리함으로써 고화층을 형성하기 위한 온도 조건을 형성하고,
3차원 형상 조형물의 뒤틀림 변형을 감소시키기 위해, 이후에 형성되는 후속 고화층에 대하여 선행하여 형성되는 적어도 1개의 선행 고화층을 그 후속 고화층보다 상대적으로 높은 온도 조건에서 형성하고,
선행 고화층의 형성 시에 있어서의 조형 플레이트의 온도가 후속 고화층의 형성 시에 있어서의 조형 플레이트의 온도보다 높도록 상기 조형 플레이트를 가열 처리함으로써, 상기 상대적으로 높은 온도 조건을 형성하며,
상기 적어도 1개의 선행 고화층의 두께가 상기 조형 플레이트로부터 소정의 높이 범위 내에 있으며, 상기 조형 플레이트로부터 소정의 높이 범위 내에 있는 두께를 갖는 상기 적어도 1개의 선행 고화층을 상기 상대적으로 높은 온도 조건에서 형성하는
3차원 형상 조형물의 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 조형 플레이트에 접하는 제 1 층째의 분말층의 형성에 앞서 그 조형 플레이트의 가열을 개시하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
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