KR102337036B1 - 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3d 프린터용 금속 분말 및 그 제조방법 - Google Patents

플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3d 프린터용 금속 분말 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말 및 그 제조방법에 있어서, 비활성 기체를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 절단대상 금속을 절단하여 플라즈마 금속을 형성하는 플라즈마 절단단계; 상기 플라즈마 금속을 급속냉각하여 산화금속 분말을 형성하는 산화금속 분말 형성단계; 및 수소기체 분위기 하에서 열처리를 통해 상기 산화금속 분말을 환원시켜 금속 분말을 형성하는 산화금속 분말 환원단계;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 플라즈마 절단 폐기물을 이용하여 제조 단가를 낮출 수 있으며, 플라즈마를 이용하여 균일한 직경, 매끄러운 표면 및 구형상을 가지는 금속 분말을 형성가능한 효과가 있다.
이 발명을 지원한 국가연구개발사업
부처명 : 과학기술정보통신부
연구관리전문기관 : 한국연구재단
연구사업명 : 2020 공공기술기반 시장연계 창업탐색 지원사업
기여율 : 1/1
주관기관 : 창원대학교 산학협력단
연구기간 : 2020.05.10 ~ 2021.02.28

Description

플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말 및 그 제조방법{Metal power for 3D printer using plasma cutting fume and menufacturing method the same}
본 발명은 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 절단 폐기물을 이용하여 제조 단가를 낮출 수 있으며, 플라즈마를 이용하여 균일한 직경, 매끄러운 표면 및 구형상을 가지는 금속 분말을 형성가능한 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말 및 그 제조방법에 관한 것이다.
3차원(3D, 3-Dimension) 프린터는 인쇄하고자 하는 대상에 대한 3차원 데이터를 이용하여, 그 대상과 동일 또는 유사한 형태를 갖도록 3차원으로 형상물을 성형하는 장비이다. 이러한 3D 프린터는 과거에는 대량생산 이전의 모델링이나 샘플 제작과 같은 용도로 활용되었으나, 최근에는 다품종 소량생산 제품을 중심으로 양산 가능한 제품의 성형에도 사용될 수 있는 기술적 기반이 조성됨에 따라 다양한 제조업체에서 사용하고 있다.
3D 프린터를 이용한 프린팅 기술은 분말, 액체, 와이어, 펠렛 등 다양한 형태의 물질을 한 층씩 쌓아올려 3차원 입체구조를 갖는 제품을 제조하는 기술이다. 이는 기존의 제조가공 기술로서는 구현할 수 없는 복잡한 형상의 부품도 손쉽게 제조할 수 있어 최근 새로운 가공기술로 전세계적 각광을 받고 있다. 3D 프린팅 기술은 기존의 주조, 단조, 용접, 압출 등과 같은 전통적인 가공술에 비해 제품개발에 소요되는 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 절삭가공시 발생하는 칩이 형성되지 않으므로 원료소재의 손실을 저감할 수 있고, 소비자가 요구하는 형상 및 기능의 수요를 충족시킬 수 있어 기존 제조업의 패러다임을 바꿀 혁신적 기술로 인식되어 지고 있다.
이러한 3D 프린터에 금속 분말을 사용하는 종래기술은 '대한민국특허청 공개특허 제10-2018-0003141호 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치'과 같이, 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 기술이 알려져 있다.
이러한 종래기술은 이미 3D 프린팅용 금속 분말이 만들어진 상태에서 플라즈마 처리를 하는 기술로, 이미 금속 분말이 만들어진 상태에서 플라즈마 처리를 하기 때문에 3D 프린팅용 금속 분말을 별도로 구매하여 사용하는 기술에 해당한다.
이러한 종래기술 외에도 일반적으로 3D 프린팅용 금속 분말을 생산하는 기술로는 가스 아토마이징(gas atomizing) 방법을 사용한다. 하지만 가스아토마이징 방법으로 금속 분말을 제조하게 되면 제조 수율이 10 내지 15% 정도로 매우 낮으며, 10 내지 200㎛의 넓은 직경 분포로 균일하지 못한 직경의 금속 분말을 얻게 된다. 이에 의해 금속 분말의 원가가 상승할 뿐 아니라 금속 분말을 제외한 폐기물의 양이 많아 환경 오염이 발생한다는 문제점이 있다. 또한 균일하지 않은 금속 분말의 직경 분포로 인해 3D 프린팅 된 제품의 내구성이 떨어진다는 단점이 있다.
대한민국특허청 공개특허 제10-2018-0003141호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 플라즈마 절단 폐기물을 이용하여 제조 단가를 낮출 수 있으며, 플라즈마를 이용하여 균일한 직경, 매끄러운 표면 및 구형상을 가지는 금속 분말을 형성가능한 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적은, 비활성 기체를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 절단대상 금속을 절단하여 플라즈마 금속을 형성하는 플라즈마 절단단계; 상기 플라즈마 금속을 급속냉각하여 산화금속 분말을 형성하는 산화금속 분말 형성단계; 및 수소기체 분위기 하에서 열처리를 통해 상기 산화금속 분말을 환원시켜 금속 분말을 형성하는 산화금속 분말 환원단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말 제조방법에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 산화금속 분말 환원단계는, 200 내지 600℃에서 30분 내지 3시간 동안 열처리하는 것이 바람직하다.
상기한 목적은 또한, 10 내지 45㎛ 직경으로 이루어지는 플라즈마 절단 폐기물인 산화금속 분말을 환원시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말에 의해서도 달성된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 플라즈마 절단 폐기물을 이용하여 제조 단가를 낮출 수 있으며, 플라즈마를 이용하여 균일한 직경, 매끄러운 표면 및 구형상을 가지는 금속 분말을 형성가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말 제조방법의 순서도이고,
도 2(a)는 종래기술인 가스아토마이징을 이용해 제조된 3D 프린터용 금속 분말의 전자현미경 사진이고,
도 2(b)는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 절단 폐기물을 이용해 제조된 3D 프린터용 금속 분말의 전자현미경 사진이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 금속 분말의 직경 분포 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말 제조방법의 순서도이고, 도 2(a)는 가스아토마이징을 이용해 제조된 3D 프린터용 금속 분말의 전자현미경 사진이고, 도 2(b)는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 절단 폐기물을 이용해 제조된 3D 프린터용 금속 분말의 전자현미경 사진이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 금속 분말의 직경 분포 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 3D 프린터용 금속 분말은, 플라즈마 절단기를 이용하여 금속을 절단하고, 이때 나온 절단 폐기물을 이용하여 3D 프린터용에 적합한 금속 분말을 제조하는 기술이다.
금속을 절단하는 절단기의 종류는 매우 다양한데, 그 중 와이어 절단기나 고속 휠 절단기의 경우 물리적인 힘을 이용해서 금속을 절단한다. 따라서 금속을 절단시 발생하는 폐기물인 금속 분말은 입자 직경이 수백㎛ 정도로 크고, 금속 분말 간 사이즈 범위가 넓어 균일한 직경을 가지는 금속 분말을 얻을 수 없다. 이러한 금속 분말을 3D 프린터용으로 사용하기 위해서는 별도의 분쇄 과정이 필요하게 된다.
또한, 물리적인 힘으로 절단된 폐기물 금속 분말은 둥근 형상 또는 바늘 형상 등이 섞인 불규칙한 형상으로 형성되어, 이를 3D 프린터용 금속 분말로 사용할 경우 최종적으로 제조되는 제품의 내부결함이 존재할 수 있어 내구성이 떨어진다는 단점이 있다. 따라서 폐기물 금속 분말을 구형상으로 만들기 위해 연마 공정이 필요할 수 있다.
이 뿐만 아니라 금속을 절단하는 과정 중 발생하는 불순물이 금속 분말에 섞이게 되어 순도가 낮아지게 되며, 만약 해당 금속 분말을 사용하기 원하는 경우 별도의 화학약품을 사용하여 불순물을 제거하는 전처리 과정이 추가적으로 필요하다.
반면, 플라즈마 절단기를 이용하여 금속을 절단하는 기술의 경우, 고 에너지를 이용해 금속 절단 부위를 용융 및 급냉시켜 절단하는 기술에 해당한다. 이때 고 에너지에 의해 기화된 금속 입자는 대기에서 핵(nuclear) 형성의 원리로, 금속 입자의 양이온 주위에 기화된 금속의 자유전자 및 대기 중의 산소음이온(O2-)이 양이온에 붙으면서 성장을 하게 된다. 이때 플라즈마에 의해 기화된 온도와 대기 간의 큰 온도차로 인해 금속 입자가 급냉하면서 금속 입자의 성장이 제한된다. 이렇게 금속 입자들이 성장하여 발생한 금속 분말은 크기가 10 내지 45㎛ 정도의 직경을 가지는 매우 미세한 구 형상을 띄게 된다.
이에 비해, 플라즈마 절단기를 제외한 다른 절단기의 경우 이러한 미세한 금속 분말의 발생이 적어 이를 3D 프린터용 금속 분말로 활용하기에는 용이하지 못하다.
이러한 본 발명에 따른 금속 분말 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이 플라즈마 절단단계(S100), 산화금속 분말 형성단계(S200) 및 산화금속 분말 환원단계(S300)를 포함한다.
플라즈마 절단단계(S100)는, 비활성 기체를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 절단대상 금속을 절단하여 플라즈마 금속을 형성하는 단계를 의미한다.
플라즈마 절단단계(S100)는, 비활성 기체를 이용하여 5,000 내지 30,000℃의 초고온 플라즈마(plasma)를 생성하고, 노즐부로부터 제트기류(jet stream)를 연속적으로 발생시켜 절단대상 금속을 절단하는 방법이다.
플라즈마(plasma)는 기체에 에너지가 가해지면 기체의 온도가 급격하게 증가하면서 기체가 전자를 잃어 양이온(cation)과 자유전자(electron)로 이온화(ionization)되는 상태를 의미한다.
이러한 플라즈마를 이용하여 절단대상 금속을 절단하는 방법은 먼저, 절단기 중앙에 위치한 전극봉과 플라즈마 노즐 사이에 아크(arc) 방전이 일어나게 하고, 이 상태에서 비활성 기체를 내보내면 비활성 기체가 급속 가열되어 양이온과 자유전자로 이온화되어 플라즈마가 된다. 이와 같은 비활성 기체의 플라즈마 기류 안에 흐르는 전류에 의해 발생한 줄열(Joule's heat)을 절단대상 금속에 전달하고, 비활성 기체의 가열에 의해 발생한 플라즈마 에너지 방출을 통해 절단대상 금속의 표면 온도를 향상시킨다.
노즐을 통해 고속으로 분출되는 플라즈마 제트에 의해 절단대상 금속의 표면 온도가 5,000 내지 30,000℃의 초고온으로 고속으로 증가하면, 온도가 가해진 절단대상 금속의 절단 부위가 순식간에 금속 기체로 기화하게 된다. 이렇게 절단대상 금속의 일부분에 금속 기체가 기화하게 되면서 해당 부위가 절단된다.
즉, 플라즈마 절단단계(S100)를 통해 절단대상 금속이 고온 및 고속 절단되면서 해당 금속 기체가 발생하게 되며, 금속 기체는 비활성 기체와 마찬가지로 플라즈마 기류 안에서 금속원자 양이온과 자유전자로 이온화된 플라즈마가 된다.
이때 절단대상 금속은 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 코발트(Co) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 그 중 3D 프린터용 금속 분말로 많이 사용하는 철이 가장 바람직하다. 또한 비활성 기체는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택 가능하나 이에 한정되지는 않는다.
산화금속 분말 형성단계(S200)는, 플라즈마 금속을 급속냉각하여 산화금속 분말을 형성하는 단계를 의미한다.
플라즈마 절단단계(S100)를 통해 형성된 플라즈마 금속은 양이온과 자유전자로 이온화된 상태이며, 이 중 플라즈마 금속의 양이온은 대기 중의 산소이온(O2-)과 만나 금속 씨드핵(seed nucelar)을 형성한다. 즉, 음이온에 해당하는 산소이온과 금속의 양이온이 결합하여 금속의 성장을 위한 금속 씨드핵을 형성하게 된다.
이때 플라즈마 금속 주변 온도가 가열로 등에 의해 여전히 고온을 유지할 경우 금속 씨드핵에 의해 주변에 존재하던 플라즈마 금속이 계속 결합하면서 씨드핵이 점점 증가하는 핵성장이 일어나게 된다. 이러한 핵성장에 의해 수백㎛ 정도의 직경을 가지는 금속 분말이 형성될 수 있다.
하지만 본 발명의 경우 5,000 내지 30,000℃의 초고온으로부터 실온으로 급속냉각하거나 또는 별도의 냉각장치를 이용하여 영하의 온도까지 급속냉각을 실시하며, 이로 인해 플라즈마 금속 씨드핵이 더 이상 핵성장이 일어나지 않거나 최소한의 핵성장만 일어나도록 하여 산화금속 분말의 직경을 최소화한다.
플라즈마 금속과 대기 중의 산소이온이 결합하기 때문에 금속 분말은 표면 및 내부가 산화된 산화금속 분말이 형성된다. 이러한 산화금속 분말은 플라즈마 금속이 씨드핵 상태에서 급속냉각에 의해 산화금속 분말 형태로 되는 것이기 때문에 표면이 매끄럽고 직경이 작은 구형의 산화금속 분말이 형성된다.
반면에 절단대상 금속의 절단 부위를 플라즈마 상태가 아닌 물리적인 방법으로 절단을 할 경우, 절단에 의해 발생하는 폐기물 금속 분말은 표면이 매끄럽지 못하고 불규칙한 형상을 가지게 된다. 또한 물리적인 절단 방법을 이용하여 집진 및 회수하는 폐기물 금속 분말은 주변의 불순물이 금속 분말 표면에 붙어서 회수되기 때문에 이를 그대로 3D 프린터용 금속 분말로 사용할 수 없다. 하지만 본 발명의 경우 플라즈마 금속이 급속냉각되면서 산화금속 분말을 형성하기 때문에 불순물이 섞이지 않은 순수한 상태의 폐기물 산화금속 분말을 얻을 수 있다.
뿐만 아니라 3D 프린터용 금속 분말을 만들기 위한 종래기술인 가스아토마이징 방법을 이용할 경우에도 도 2(a)에 도시된 것과 같이 표면이 매끄럽지 못하고 불규칙한 형상의 금속 분말이 형성된다. 따라서 본 발명의 산화금속 분말은 도 2(b)에 도시된 것과 같이 10 내지 45㎛ 직경을 가지며 표면이 매끄러운 구형으로 이루어져 3D 프린터용 금속 분말로 사용하기 매우 적합하다.
이러한 플라즈마 절단단계(S100)와 산화금속 분말 형성단계(S200)는 절단대상 금속을 절단하는 과정 중 자연스럽게 플라즈마 절단 폐기물(fume)이 형성되는 과정을 의미하며, 이러한 플라즈마 절단 폐기물인 산화금속 분말을 이용하여 다음 단계를 수행한다.
산화금속 분말 환원단계(S300)는, 수소기체 분위기 하에서 열처리를 통해 산화금속 분말을 환원시켜 금속 분말을 형성하는 단계를 의미한다.
플라즈마 절단단계(S100)와 산화금속 분말 형성단계(S200)를 통해 형성된 산화금속 분말을 집진 및 회수하고, 수소기체 분위기 하에서 산화금속 분말을 열처리한다. 이 과정을 통해 산화금속 분말에 존재하던 산소 음이온이 수소 기체에 의해 제거되면서 산화금속 분말이 환원된 금속 분말이 형성된다.
이때 열처리 온도는 200 내지 600℃인 것이 바람직한데, 온도가 200℃ 미만일 경우 산화금속 분말이 완벽히 환원되지 않아 산화금속 분말과 환원된 금속 분말이 섞인 상태가 되며, 600℃를 초과할 경우 환원된 금속 분말들끼리 응집이 일어나 금속 분말의 직경이 커지는 문제가 발생하게 된다.
또한 열처리 시간은 30분 내지 3시간인 것이 바람직한데, 열처리 시간이 30분 미만일 경우 마찬가지로 산화금속 분말이 완전히 환원되지 않고 일부 남아있게 되며, 3시간을 초과할 경우 금속 분말 간 응집현상이 일어나게 된다.
이와 같은 단계들(S100, S200, S300)을 통해 최종적으로 형성되는 금속 분말은 도 3에 도시된 직경 분포 결과에 따르면 10 내지 45㎛ 직경을 가지며 표면이 매끄러운 구형으로 이루어져 3D 프린터용 금속 분말로 사용하기 매우 적합하다. 금속 분말의 직경이 10㎛ 미만일 경우 직경이 너무 작아 3D 프린팅시 외부로 분산될 우려가 있으며, 45㎛를 초과할 경우 복잡한 형상 및 미세한 부품을 3D 프린팅하기 어렵다는 단점이 있다.
종래기술의 경우 3D 프린터용 금속 분말을 가스아토마이징을 통해 제조하였으며, 이는 제조 수율이 10 내지 15% 정도로 매우 낮으며, 10 내지 200㎛의 넓은 직경 분포로 균일하지 못한 직경의 금속 분말을 얻었다. 이에 비해 본 발명의 경우 절단대상 금속을 플라즈마 공법을 이용하여 절단하는 동안 발생하는 플라즈마 절단 폐기물(fume)을 이용하여 3D 프린터용 금속 분말을 제조하기 때문에 제조 단가가 매우 낮다. 또한 10 내지 45㎛ 직경의 균일한 표면 및 구형의 금속 분말을 얻을 수 있으며, 이는 3D 프린터에 적용하기 매우 우수한 금속 분말에 해당한다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
S100: 플라즈마 절단단계
S200: 산화금속 분말 형성단계
S300: 산화금속 분말 환원단계

Claims (3)

  1. 플라즈마 절단기를 이용하여 비활성 기체로 플라즈마 제트기류(jet stream)를 연속적으로 발생시켜 절단대상 금속을 절단하여 플라즈마 절단 폐기물(fume)인 플라즈마 금속을 형성하는 플라즈마 절단단계;
    상기 플라즈마 금속을 급속냉각하여 산화금속 분말을 형성하는 산화금속 분말 형성단계; 및
    수소기체 분위기 하에서 열처리를 통해 상기 산화금속 분말을 환원시켜 10 내지 45㎛ 직경으로 이루어지는 구형의 금속분말을 형성하는 산화금속 분말 환원단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산화금속 분말 환원단계는,
    200 내지 600℃에서 30분 내지 3시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말 제조방법.
  3. 제 1 및 2항 중 어느 한 항을 통해 제조된 10 내지 45㎛ 직경으로 이루어지는 플라즈마 절단 폐기물인 산화금속 분말을 환원시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3D 프린터용 금속 분말.
KR1020200182250A 2020-12-23 2020-12-23 플라즈마 절단 폐기물을 이용한 3d 프린터용 금속 분말 및 그 제조방법 KR102337036B1 (ko)

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