KR102373015B1 - 레이저를 이용한 비정질 합금의 표면처리 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 금속 3D 프린팅된 비정질 합금에 대해 레이저 폴리싱으로 표면처리하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
비정질 합금재로 3D 프린팅 한 다음, 분말 공급을 차단하고 레이저를 표면에 조사하여 표면에 붙어있는 입자를 녹이며, 동시에 레이저 빔을 중심으로 방사대칭을 이루도록 배열된 파우더 전달노즐을 이용하여 불활성 가스를 분사하여 줌으로써 용융된 부분의 산화방지 및 냉각이 이루어지도록 한다.

Description

레이저를 이용한 비정질 합금의 표면처리{Surface Treatment of Amorphous Alloy with Laser}

본 발명은 레이저를 이용한 비정질 합금의 표면처리에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 메탈 3D 프린팅에 의해 제조된 비정질 합금 성형품의 표면처리에 관한 것이다.

비정질 합금은 액체상태의 무질서한 구조를 갖는 금속 합금으로, 고강도, 고탄성, 고 내식성 등의 우수한 물성을 나타내어 광범위하게 적용된다. 한편, 3D 프린팅은 제조업의 혁신을 이룰 수 있는 기술로서 복잡한 형상을 단시간에 효율적으로 제조할 수 있다. 비정질 합금 성형체에 대해서도 금속 3D 프린팅을 적용할 수 있다. 금속 3D 프린팅으로 만든 성형체 또는 금속 3D 프린팅으로 비정질 합금 코팅을 형성한 제품의 표면은 매우 거칠며, 도 1에 보인 바와 같이 분말들이 표면에 붙어있다. 따라서 금속 3D 프린팅으로 제작되거나 코팅된 비정질 합금 제품에 대해 표면처리를 할 필요가 있다.

금속 3D 프린팅 제품에 대한 표면처리 기술로서 전해연마(등록특허 10-2049512), 플라즈마 처리 등이 적용되거나 레이저 열처리(등록특허 10-1587411)가 적용되기도 한다. 금속 3D 프린팅된 비정질 합금에 대한 표면처리는 매우 미세한 수준에서 이루어져야 하며, 이는 비정질 합금의 물성에 맞도록 레이저 폴리싱 공정변수를 제어해야 한다.

따라서 본 발명의 목적은 금속 3D 프린팅된 비정질 합금에 대해 레이저 폴리싱으로 표면처리하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

즉, 비정질 합금의 특성에 맞는 레이저 폴리싱 공정 변수를 설계하여 표면조도를 낮추어 표면을 매끈하게 만들되, 표면처리하여도 비정질 특성을 유지할 수 있게 하려는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 비정질 합금재로 3D 프린팅 한 다음, 분말 공급을 차단하고 레이저를 표면에 조사하여 표면에 붙어있는 입자를 녹이며, 동시에 레이저 빔을 중심으로 방사대칭을 이루도록 배열된 파우더 전달노즐을 이용하여 불활성 가스를 분사하여 줌으로써 용융된 부분의 산화방지 및 냉각이 이루어지도록 한다.

또한, 본 발명은 레이저 파워와 스캔 속도를 최적화하여 표면조도 제어와 표면처리된 곳의 비정질성을 유지할 수 있게 한다.

즉, 레이저 폴리싱에 의해 시료에 전달되는 에너지 밀도를 50 내지 70J/mm³으로 하여 상기 목적을 달성한다. 이를 위해, 레이저 스캔 속도를 10 내지 15mm/sec로 할 때, 레이저 파워는 80 내지 200W, 레이저 스캔 속도를 20 내지 30mm/sec로 할 때, 레이저 파워는 120 내지 320W로 한다.

또한, 냉각속도 100K/sec를 목표로 하여 레이저 폴리싱 공정은 냉각판 위에 시료를 올리고 실시한다.

본 발명에 따르면, 레이저 폴리싱에 의해 비정질 합금재로 된 3D 프린팅 결과물의 표면처리를 실시하여 미세한 표면결함을 제거하여 표면조도를 낮추면서도 비정질성을 그대로 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 레이저 폴리싱은 3차원 형상을 갖는 제품의 표면처리에 대해서도 적용될 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 금속 3D 프린팅 결과물의 표면조도와 단면사진을 보여준다.
도 2는 본 발명의 금속 3D 프린팅 결과물에 대한 레이저 폴리싱 공정 구성을 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 레이저 폴리싱의 주요 공정 변수 설계에 관계되는 공식과 변수를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 공정변수 대비 결과를 보여주는 테이블 및 시편 사진이다.
도 5는 금속 3D 프린팅 결과물 대비 레이저 폴리싱 처리 표면을 보여주는 사진이다.
도 6은 금속 3D 프린팅 결과물 대비 레이저 폴리싱 처리 후 시편의 단면 사진이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 레이저 폴리싱 공정을 보여준다.

금속 3D 프린팅으로 제작된 비정질 합금재 기판(100)을 시편으로 하여 표면조도를 좋게 만들기 위해 레이저 폴리싱을 실시한다. 레이저 폴리싱은 레이저 빔(200)을 시편 표면에 조사하여 표면에 달라붙은 입자들을 순간적으로 녹인 후 다시 신속하게 냉각시켜 평탄면으로 만드는 방법이다. 이때, 비정질 합금이 녹았다가 냉각되면서 비정질성을 그대로 유지하여야 한다. 따라서 비정질 합금이 녹을 수 있는 레이저 파워가 필요하고, 표면에 달라붙어 표면조도를 거칠게 하는 입자들만 녹여야 하므로 적절한 레이저 스캔 속도를 찾는 것이 중요하다. 궁극적으로는 금속 3D 프린팅으로 제작된 비정질 합금재 표면에 전달되는 에너지 밀도를 찾는 것이 중요한 문제가 된다.

또한, 신속한 냉각이 이루어져야 한다. 그에 따라 본 발명은 시편을 냉각판 위에 올려놓고 레이저 폴리싱을 실시하며, 파우더 전달노즐의 중심부에 레이저 빔이 조사되도록 배열하여 레이저 빔을 중심으로 방사대칭을 이루며 배열된 다수의 파우더 전달노즐(300)을 통해 불활성 가스(Ar 등)를 분사하여 용융된 부분의 산화방지 및 냉각속도를 촉진효과를 얻는다. 즉, 금속 3D 프린터의 파우더 전달노즐(300)을 불활성 가스공급 노즐로 전용하는 것으로 설비 간소화를 이룰 수 있다. 그러나 별도로 가스공급노즐을 구성할 수도 있다. 레이저 빔을 중심으로 방사대칭을 이루도록 2개 이상의 노즐로 구성한다.

상술한 바와 같이, 비정질 합금으로 된 표면 입자의 용융 후 고화작용으로 표면조도가 좋게 바뀌면서 비정질성을 잃지 않는 수준의 에너지밀도를 찾기 위해, 본 발명자들은 20개의 시편을 준비하고, 레이저 스캔 속도와 레이저 파워를 변수로하여 시편에 전달되는 에너지 밀도 E(J/mm³)를 도 3에 나타낸 공식에 의해 산출하며, 최적의 공정변수를 리서치하였다. 비정질 합금의 녹는점은 820~1100℃ 범위이고, 열전도도는 4~8 W/m-K 이다. 용융 후 신속한 냉각이 이루어져야 표면조도를 매끈하게 만들 수 있고, 비정질성도 유지할 수 있다. 냉각속도 70 내지 130K/sec, 바람직하게는 100K/sec 정도로 유지하기 위해 냉각수를 흘려주는 냉각판을 시편 밑에 배치하고 상술한 바와 같이 레이저 빔 조사와 동시에 불활성 가스를 공급한다.

이와 같은 실험에 따라 도 4와 같은 결과를 얻었다. 표면조도가 우수하고 비정질성이 유지된 것은 시편에 전달된 에너지 밀도 E가 50 내지 70J/mm³일 때라 볼 수 있다. 에너지 밀도가 너무 작으면 표면조도가 좋아지지 않고, 에너지 밀도가 너무 높으면 비정질성을 유지하지 못한다. 또한, 에너지 밀도가 110J/mm³ 정도 이상이 되면 결정화로 인해 표면조도도 더 나빠진다.

따라서 최적의 에너지 밀도를 구현하기 위해 레이저 파워는 80 내지 200W 및 레이저 스캔 속도를 10 내지 15mm/sec, 또는 레이저 파워 120 내지 320W 및 레이저 스캔 속도를 20 내지 30mm/sec로 하는 것이 바람직하다. 특별히 좋은 결과를 나타낸 것은 도 4에 노란색 표시로 나타내었다.

신속한 공정이 이루어질 수 있거나 필요로 할 경우, 레이저 파워를 높이고 스캔 속도를 높이는 공정을 선택할 수 있다. 3차원 형상 중 복잡한 형상을 갖는 경우 스캔 속도를 낮추고 이때 레이저 파워도 낮추어 정밀가공할 수 있다.

레이저 스캔은 레이저 빔과 시편 사이의 상대적 이송으로 이루어지며, 레이저 빔과 불활성 가스공급노즐(파우더 전달노즐(300))을 하나의 모듈로 하여 시편에 대해 스캔하거나, 반대로 레이저 빔과 불활성 가스공급노즐에 대해 시편을 스캔이송할 수 있다.

도 5는 금속 3D 프린팅 결과물 대비 레이저 폴리싱 처리 표면을 보여주는 사진이다.

3D 프린팅 결과물 그대로의 표면과 레이저 폴리싱 후 표면을 나타내며, 육안으로 볼 수 있는 표면의 차이를 알 수 있다.

도 6은 금속 3D 프린팅 결과물 대비 레이저 폴리싱 처리 후 시편의 단면 사진이다.

금속 3D 프린팅에 의한 비정질 코팅면 위에 입자들이 붙어 표며조도를 나쁘게 한 것을 레이저 폴리싱으로 매끈하게 개선한 것을 확인할 수 있다.

이와 같이 금속 3D 프린팅 결과물의 표면을 레이저 폴리싱에 의해 미세한 표면결함도 제거하여 매끈한 표면조도를 갖게 할 수 있으며, 3차원 형상 구조물에 대해서도 본 발명의 레이저 폴리싱을 적용할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 제작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

기판(100)
레이저 빔(200)
파우더 전달노즐(300)

Claims (5)

1. 비정질 합금재를 3D 프린터에 분말로 공급하여 3D 프린팅 한 결과물에 대해, 레이저를 표면에 조사하는 레이저 스캔으로 상기 결과물의 표면에 붙어있는 입자를 녹이는 레이저 폴리싱을 실시하며, 상기 3D 프린터의 레이저 빔을 중심으로 방사대칭을 이루도록 배열된 파우더 전달 노즐에 분말 공급을 차단하고 불활성 가스를 공급하여 상기 레이저 빔 조사부분에 분사하여 줌으로써 용융된 부분의 산화방지 및 냉각을 돕고, 레이저 폴리싱에 의해 시료에 전달되는 에너지 밀도를 50 내지 70J/mm³으로 하여 표면조도를 제어하고 비정질성을 유지하게 하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 비정질 합금의 표면처리방법.
2. 제1항에 있어서, 레이저 파워는 80 내지 200W으로 하고 레이저 스캔 속도는 10 내지 15mm/sec로 하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 비정질 합금의 표면처리방법.
3. 제1항에 있어서, 레이저 파워는 120 내지 320W로 하고 레이저 스캔 속도는 20 내지 30mm/sec로 하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 비정질 합금의 표면처리방법.
4. 제1항에 있어서, 레이저 폴리싱 후 결과물의 냉각속도를 70 내지 130K/sec로 하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 비정질 합금의 표면처리방법.
5. 제4항에 있어서, 3D 프린팅 한 결과물을 냉각판 위에 놓고 레이저 폴리싱을 실시하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 비정질 합금의 표면처리방법.
   

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