KR102331728B1 - 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법 및 이의 방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물 - Google Patents

레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법 및 이의 방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법 및 이의 방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적층된 금속의 구조이방성을 제어하고 프린팅으로 제작된 금속소재의 기계적 특성을 향상시키기 위한 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법 및 이의 방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물에 관한 것이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 a) 금속소재를 배치하는 단계; b) 배치된 상기 금속소재에 레이저를 주사(scanning)하여 용융풀을 형성하는 단계; c) 형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 1차 금속층을 적층하는 단계; d) 적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계; 및 e) 재형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 2차 금속층을 형성하는 단계를 포함하며, 3차원 금속 구조물이 제조될 때까지 상기 a) 단계 내지 상기 e) 단계를 순차적으로 반복 수행하도록 마련된 것을 특징으로 하는 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법을 제공한다.

Description

레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법 및 이의 방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물{METHOD OF CONTROLLING STRUCTURAL ANISOTROPY AND IMPROVING MECHANICAL PROPERTIES OF DIRECT ENERGY DEPOSITED METALLIC MATERIAL VIA LASER RESCANNING AND 3D METAL STRUCTURE MANUFACTURE BY ITS METHOD}
본 발명은 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법 및 이의 방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적층된 금속의 구조이방성을 제어하고 프린팅으로 제작된 금속소재의 기계적 특성을 향상시키기 위한 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법 및 이의 방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물에 관한 것이다.
도 1은 종래의 직접 적층 공정을 나타낸 예시도이다.
도 1에 도시된 것처럼, 직접적층공정(Direct Energy Deposition, DED)은 금속을 3D 프린팅하는 공정중 하나로, 파우더 형태의 금속 원소재를 높은 에너지원을 통해 순간적으로 용해하여 용융풀을 형성시켜 용융된 재료가 급속 응고됨으로써 사용자가 원하는 입체구조물을 층층히 제조하는 방식이다.
직접적층공정은 적층할 원소재의 형상이 비교적 자유롭고 적층속도가 빠르기 때문에 3차원의 금속구조물을 제작하거나 기계부품의 보수, 국부적인 표면강화 등에 활용되고 있다.
직접적층공정에서 금속 구조물을 적층할 때에는 적층경로에 따라 적층된 소재가 구조적 이방성(anisotropy)을 가지게 되며, 구조적 이방성을 줄이기 위해서 각 층의 적층경로를 45도, 60도 혹은 90도로 기울여 가면서 적층하는 기법이 일반적으로 사용되지만, 적층 구조물의 형상에 따라 이런 복잡한 적층경로를 사용하기 어려운 경우도 상당수 존재한다.
일 예로, 기존에는 용융풀의 방향에 따른 구조적 이방성을 감소시키기 위해 지그재그 혹은 각 층의 적층경로를 일정 각도로 기울여 가는 적층방식을 일반적으로 사용하였으나, 만들고자 하는 3차원의 구조물이 얇거나 둥근 형상을 가지는 등 적층경로를 자유롭게 바꾸지 못하는 경우 구조적 이방성을 상쇄시키지 못하는 문제점이 있었다.
따라서, 각 층의 적층경로를 고정하면서도 구조적 이방성을 제어할 수 있고, 추가로 금속직접적층법으로 제조된 금속구조물의 최종 기계적 특성 역시 크게 향상시킬 수 있는 레이저 재주사 기법이 필요하다.
한국공개특허 제10-2019-0134897호
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 적층된 금속의 구조이방성을 제어하고 프린팅으로 제작된 금속소재의 기계적 특성을 향상시키기 위한 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법 및 이의 방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 a) 금속소재를 배치하는 단계; b) 배치된 상기 금속소재에 레이저를 주사(scanning)하여 용융풀을 형성하는 단계; c) 형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 1차 금속층을 적층하는 단계; d) 적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계; 및 e) 재형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 2차 금속층을 형성하는 단계를 포함하며, 3차원 금속 구조물이 제조될 때까지 상기 a) 단계 내지 상기 e) 단계를 순차적으로 반복 수행하도록 마련된 것을 특징으로 하는 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 d) 단계에서, 레이저를 재주사하여 상기 1차 금속층의 두께의 45 내지 55%에 대응되는 용융풀을 재형성하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 a) 단계에서, 상기 금속소재는, 오스테나이트계 스테인레스 합금을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 d) 단계에서, 상기 레이저는 상기 b) 단계에서의 레이저 출력의 65% 내지 75%의 출력으로 재주사하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 d) 단계는, 상기 1차 금속층을 형성하기 위해 상기 금속소재에 레이저를 주사하는 1차 경로와 동일한 방향으로 왕복 이동하면서 레이저를 재주사하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 d) 단계는, 1차 금속층을 형성하기 위해 상기 금속소재에 레이저를 주사하는 1차 경로와 다른 방향으로 왕복 이동하는 2차 경로를 따라 레이저를 재주사하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 d) 단계에서, 상기 1차 경로와 상기 2차 경로는 왕복 운동 방향이 직교하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물에 있어서, 상기 금속소재에 대하여 레이저를 주사하여 형성된 1차 금속층; 및 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사하여 형성된 2차 금속층을 포함하며, 복수의 상기 1차 금속층 및 상기 2차 금속층이 순차적으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 2차 금속층의 두께는, 상기 금속소재에 레이저를 주사하여 형성된 초기의 상기 1차 금속층의 두께의 45 내지 55%로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 2차 금속층은, 상기 1차 금속층을 형성하기 위해 상기 금속소재에 레이저를 주사한 1차 경로와 동일한 방향으로 왕복 이동하면서 레이저를 재주사하여 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 각 층을 적층한 후 적층경로와 다른 방향으로 레이저만을 한번 더 재주사(rescanning)하게 되면 응고된 용융풀이 레이저 재주사에 의해 일부 다시 녹았다가 급속 응고되면서 상이한 미세구조를 형성할 수 있다.
적절한 수준의 출력으로 레이저 재조사를 함으로써, 항복강도, 인장강도 및 연신율과 같은 금속소재의 기계적 특성이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 직접 적층 공정을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법의 공정 예시도이다.
도 4의 (a)는 종래의 금속 직접 적층 방법에 따라 형성된 시편이다.
도 4의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물이다.
도 5의 (a)는 종래의 직접 적층 공정을 통해 형성된 AISI 316L 시험편의 레이저 비드 형상이다.
도 5의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 형성된 AISI 316L 시험편의 레이저 비드 형상이다.
도 6은 종래의 금속 직접 적층 방법과 본 발명에 따른 직접 적층 방법으로 제조된 AISI 316L 시험편에 대한 인장시험 결과 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법의 공정 예시도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법은 먼저, 금속소재를 배치하는 단계(S10)를 수행할 수 있다.
금속소재를 배치하는 단계(S10)에서는 베이스플레이트(B) 또는 기 적층된 2차 금속층(120) 상에 금속소재를 투입하여 배치하도록 마련될 수 있다.
여기서, 금속소재는 3D 프린팅용 금속 분말일 수 있다. 일 예로, 상기 금속소재는, AISI 316L 스테인레스 합금 등의 오스테나이트계 스테인레스 합금일 수 있다.
단, 금속소재는 이에 한정하는 것은 아니며, 다른 합금들을 포함할 수 있다.
금속소재를 배치하는 단계(S10) 이후에는, 배치된 상기 금속소재에 레이저를 주사(scanning)하여 용융풀을 형성하는 단계(S20)가 수행될 수 있다.
배치된 상기 금속소재에 레이저를 주사(scanning)하여 용융풀을 형성하는 단계(S20)에서는, 베이스플레이트(B) 또는 기 적층된 2차 금속층(120) 상에 투입되어 배치된 상기 금속소재에 레이저를 주사하여 용융풀을 형성하도록 마련될 수 있다.
이때, 상기 레이저는 기설정된 적층 경로인 1차 경로를 따라 왕복하면서 상기 금속소재에 레이저를 주사하여 용융풀을 형성하도록 마련될 수 있다.
배치된 상기 금속소재에 레이저를 주사(scanning)하여 용융풀을 형성하는 단계(S20) 이후에는, 형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 1차 금속층을 적층하는 단계(S30)가 수행될 수 있다.
형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 1차 금속층을 적층하는 단계(S30)에서는, 금속 소재가 용융되어 형성된 용융풀을 급속 응고시켜 1차 금속층(110)을 적층 형성하도록 마련될 수 있다.
형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 1차 금속층을 적층하는 단계(S30) 이후에는, 적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계(S40)가 수행될 수 있다.
적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계(S40)에서는, 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사하여 용융풀을 다시 형성하도록 마련될 수 있다.
적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계(S40)에서, 레이저를 재주사할 때는 1차로 레이저를 주사하여 형성된 상기 1차 금속층(110)의 두께의 45 내지 55%만큼의 두께로 용융풀을 재형성하도록 마련될 수 있다. 즉, 레이저의 주사 출력 및 주사 속도와 시간을 조절할 수 있다.
특히, 적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계(S40)에서, 상기 금속소재가 오스테나이트계 스테인레스 합금일 경우, 상기 레이저는 1차 금속층을 형성할 때의 레이저 출력의 65% 내지 75%의 출력으로 재주사하도록 마련될 수 있다.
이처럼 마련될 경우, 오스테나이트계 스테인레스 합금의 결정립 내 셀(cell)의 크기가 줄어들어 인장강도, 항복강도, 연신율과 같은 기계적 특성이 향상될 수 있다.
한편, 적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계(S40)는, 상기 1차 금속층(110)을 형성하기 위해 상기 금속소재에 레이저를 주사하는 1차 경로와 동일한 방향으로 왕복 이동하면서 레이저를 재주사하도록 마련될 수 있다.
종래에는 용융풀의 방향에 따라 기계적 특성 등이 상이한 특징인 구조적 이방성을 감소시키기 위해 지그재그 혹은 각 층의 적층경로를 일정 각도로 기울여 가는 적층방식을 일반적으로 사용하였으나, 만들고자 하는 3차원의 구조물이 얇거나 둥근 형상을 가지는 등 적층경로를 자유롭게 바꾸지 못하는 경우 구조적 이방성을 상쇄시키지 못하는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명과 같이, 1차 금속층(110)에 레이저를 재주사하여 다시 용융풀을 형성하게 될 경우, 결정립내 셀의 크기가 감소하면서 기계적 특성이 향상되기 때문에 적층경로의 변경이 없이도 구조직 이방성이 감소될 수 있다.
단, 적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계(S40)에서 레이저 주사 경로는 이에 한정되지 않는다.
즉, 적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계(S40)에서, 상기 1차 금속층(110)을 형성하기 위해 상기 금속소재에 레이저를 주사한 1차 경로와 다른 방향으로 왕복 이동하는 2차 경로를 따라 레이저를 재주사하도록 마련될 수도 있다.
일 예로, 적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계(S40)에서, 레이저 주사 경로인 상기 1차 경로와 상기 2차 경로는 왕복 운동 방향이 직교하도록 마련될 수 있다.
적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계(S40) 이후에는, 재형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 2차 금속층을 형성하는 단계(S50)가 수행될 수 있다.
재형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 2차 금속층을 형성하는 단계(S50)에서는, 1차 금속층(110)의 일부가 용융되어 형성된 용융풀을 급속 응고시켜 2차 금속층(120)을 적층 형성하도록 마련될 수 있다.
그리고, 3차원 금속 구조물(100)이 제조될 때까지 상기 금속소재를 배치하는 단계(S10)부터 재형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 2차 금속층을 형성하는 단계(S50)까지를 순차적으로 반복 수행하도록 마련될 수 있다.
이처럼 마련된 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물(100)은, 상기 금속소재에 대하여 레이저를 주사하여 형성된 1차 금속층(110)과 상기 1차 금속층(110)에 대하여 레이저를 재주사하여 형성된 2차 금속층(120)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
그리고, 상기 2차 금속층(120)의 두께는, 상기 금속소재에 레이저를 주사하여 형성된 초기의 상기 1차 금속층(110)의 두께의 45 내지 55%로 형성될 수 있다.
도 4의 (a)는 종래의 금속 직접 적층 방법에 따라 형성된 시편이고, 도 4의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물이다.
도 4 를 참조하면, 종래의 금속직접적층으로 제조한 AISI 316L 스테인레스 시험편과 각 층을 동일한 공정으로 적층하였지만 본 발명과 같이 한 층을 적층한 후 레이저 재주사를 반복하여 제작한 시험편의 사진을 볼 수 있다.
공정변수 값
금속직접적층 공정 Laser Power (W) 900
Powder feed rate (g/min) 4.5
Scanning speed (mm/min) 850
Coaxial gas flow rate (l/min) 6.0
레이저 재주사 공정 Laser Power (W) 630
Scanning speed (mm/min) 850
그리고, 실험에 사용된 레이저는 최대출력 4 kW의 Trumph社의 CO2 레이저이며 금속직접적층 공정 및 레이저 재주사에 사용된 공정변수는 위의 표 1과 같다.
각 층의 1차 금속층(110) 형성을 위한 레이저 적층은 두 시험편 모두 레이저 출력 900 W 를 사용하였으며, Insstek 社 의 MX-3 금속적층장비를 사용하여 제작하였다.
그리고, 2차 금속층(120) 형성을 위한 레이저 재주사의 레이저 출력은 630 W 로 하였다. 레이저 재주사의 레이저 출력은 630 W로 설정된 이유는, 레이저 재주사에 의해 형성된 용융풀의 깊이가 금속직접적층으로 적층된 한 층의 두께의 절반이 되었기 때문이다.
도 5의 (a)는 종래의 직접 적층 공정을 통해 형성된 AISI 316L 시험편의 레이저 비드 형상이고, 도 5의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 형성된 AISI 316L 시험편의 레이저 비드 형상이다.
도 5의 광학현미경 미세조직에서 확인되는 것처럼, 900 W로 적층한 시험편은 각 층이 반원형태의 레이저 비드(응고된 용융풀 형태)가 겹겹이 쌓인 미세구조를 가지고 있으며 각 층의 두께는 약 0.25 mm이다.
그리고, 630 W의 레이저 재조사를 각 층마다 거친 시험편의 경우 레이저 재조사에 의한 용융풀이 원래의 용융풀 깊이의 약 절반인 0.125 mm 정도의 깊이를 가지는 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물(100)은 레이저 재주사를 하지 않은 시험편과 비교할 때 용융풀이 깊이 방향으로 절반으로 나누어지며 겹겹히 겹쳐진 형태를 가짐을 확인할 수 있다.
도 6은 종래의 금속 직접 적층 방법과 본 발명에 따른 직접 적층 방법으로 제조된 AISI 316L 시험편에 대한 인장시험 결과 그래프이다.
도 6의 인장특성을 보면 적층경로를 고정하여 일반적인 금속 직접 적층으로 제조한 AISI 316L 스테인레스 합금의 경우 적층방향과 적층수직방향으로 강도와 인성이 상이한 뚜렷한 구조적 이방성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
반면 각 층을 적층한 후 레이저를 재주사한 경우의 시험편은 구조적 이방성이 확연하게 감소하였다. 즉, 적층방향과 적층 수직방향으로의 강도차이 및 연신률 차이가 거의 없고, 기계적 강도 역시 확연하게 증가하였다.
따라서, 종합해 보면 금속 직접 적층에서 각 층을 적층한 후 레이저를 재주사하면 인위적인 용융풀을 추가로 형성시키거나 적층 경로의 수정 없이도 구조적 이방성을 제어할 수 있으며, 레이저의 출력 등을 조절하여 일반적인 적층 소재보다 더욱 향상된 구조강도와 재료의 신뢰성을 얻을 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물
110: 1차 금속층
120: 2차 금속층

Claims (10)

  1. a) 금속소재를 배치하는 단계;
    b) 배치된 상기 금속소재에 레이저를 주사(scanning)하여 용융풀을 형성하는 단계;
    c) 형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 1차 금속층을 적층하는 단계;
    d) 적층된 상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사(rescanning)하여 용융풀을 재형성하는 단계; 및
    e) 재형성된 상기 용융풀을 급속 응고시켜 2차 금속층을 형성하는 단계를 포함하며,
    3차원 금속 구조물이 제조될 때까지 상기 a) 단계 내지 상기 e) 단계를 순차적으로 반복 수행하도록 마련되고,
    상기 d) 단계에서, 상기 1차 금속층의 두께의 45 내지 55%에 대응되는 용융풀을 재형성하기 위해 레이저의 출력, 주사 속도 및 주사 시간이 조절되도록 마련되며, 상기 금속소재가 오스테나이트계 스테인레스 합금일 때 상기 레이저의 출력은 상기 b) 단계에서의 레이저 출력의 65% 내지 75%의 출력을 갖도록 마련되고,
    상기 c) 단계에서 형성된 상기 용융풀과 상기 e) 단계에서 재형성된 상기 용융풀은 급속 응고되면서 서로 상이한 미세구조의 금속층을 형성하도록 마련된 것을 특징으로 하는 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    상기 1차 금속층을 형성하기 위해 상기 금속소재에 레이저를 주사하는 1차 경로와 동일한 방향으로 왕복 이동하면서 레이저를 재주사하도록 마련된 것을 특징으로 하는 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    1차 금속층을 형성하기 위해 상기 금속소재에 레이저를 주사하는 1차 경로와 다른 방향으로 왕복 이동하는 2차 경로를 따라 레이저를 재주사하도록 마련된 것을 특징으로 하는 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 d) 단계에서,
    상기 1차 경로와 상기 2차 경로는 왕복 운동 방향이 직교하도록 마련된 것을 특징으로 하는 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법.
  8. 제 1 항에 따른 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물에 있어서,
    상기 금속소재에 대하여 레이저를 주사하여 형성된 1차 금속층; 및
    상기 1차 금속층에 대하여 레이저를 재주사하여 형성된 2차 금속층을 포함하며,
    복수의 상기 1차 금속층 및 상기 2차 금속층이 순차적으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 2차 금속층의 두께는,
    상기 금속소재에 레이저를 주사하여 형성된 초기의 상기 1차 금속층의 두께의 45 내지 55%로 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 2차 금속층은,
    상기 1차 금속층을 형성하기 위해 상기 금속소재에 레이저를 주사한 1차 경로와 동일한 방향으로 왕복 이동하면서 레이저를 재주사하여 형성된 것을 특징으로 레이저 재주사를 통한 직접적층 금속소재의 구조이방성 제어 및 기계적 특성 향상방법에 의해 제조된 3차원 금속 구조물.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102574382B1 (ko) 2022-07-05 2023-09-01 주식회사 에이엠솔루션즈 3d프린터 노즐 및 3d프린터
KR20240005301A (ko) 2022-07-05 2024-01-12 주식회사 에이엠솔루션즈 3d프린팅 적층제조방법
KR20240009089A (ko) 2022-07-13 2024-01-22 주식회사 에이엠솔루션즈 다중재료 구조체의 형성방법

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007270227A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光造形物の製造方法
JP2015206083A (ja) * 2014-04-21 2015-11-19 株式会社日立製作所 ステンレス鋼、流体機器およびステンレス鋼の製造方法
KR20190070268A (ko) * 2017-11-30 2019-06-20 더 보잉 컴파니 시트 기반 적층 가공(additive manufacturing) 방법 및 시스템
JP2019157149A (ja) * 2018-03-07 2019-09-19 学校法人慶應義塾 レーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置
KR20190134897A (ko) 2018-05-09 2019-12-05 중앙대학교 산학협력단 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치 및 방법
KR102128777B1 (ko) * 2018-06-20 2020-07-02 한국생산기술연구원 금속 미세조직 제어 적층성형 방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007270227A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光造形物の製造方法
JP2015206083A (ja) * 2014-04-21 2015-11-19 株式会社日立製作所 ステンレス鋼、流体機器およびステンレス鋼の製造方法
KR20190070268A (ko) * 2017-11-30 2019-06-20 더 보잉 컴파니 시트 기반 적층 가공(additive manufacturing) 방법 및 시스템
JP2019157149A (ja) * 2018-03-07 2019-09-19 学校法人慶應義塾 レーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置
KR20190134897A (ko) 2018-05-09 2019-12-05 중앙대학교 산학협력단 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치 및 방법
KR102128777B1 (ko) * 2018-06-20 2020-07-02 한국생산기술연구원 금속 미세조직 제어 적층성형 방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102574382B1 (ko) 2022-07-05 2023-09-01 주식회사 에이엠솔루션즈 3d프린터 노즐 및 3d프린터
KR20240005301A (ko) 2022-07-05 2024-01-12 주식회사 에이엠솔루션즈 3d프린팅 적층제조방법
KR20240009089A (ko) 2022-07-13 2024-01-22 주식회사 에이엠솔루션즈 다중재료 구조체의 형성방법

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