KR102434157B1

KR102434157B1 - 금속 표면 상에 3d 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법

Info

Publication number: KR102434157B1
Application number: KR1020210079203A
Authority: KR
Inventors: 이호진
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2021-06-18
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2022-08-19

Abstract

본 발명에 따른 3D 프린팅 공정으로 제작된 3d 인서트물을 이용한 복합주조 공법은 기재 금속의 표면을 기계 가공하는 단계; 상기 기재 금속의 표면 상에 3D 프린팅을 통하여 고경도를 갖는 재료를 1차적으로 적층하여 중간 재료층을 형성하는 단계; 및 상기 중간 재료층 상에 2차적으로 표면 코팅 공정을 진행하는 단계;를 포함하며, 이를 통해서 코팅층의 안정성 및 제품의 성능을 향상시킨다.

Description

금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법{Multi-layer lamination method through 3D printing and coating process on metal surface}

본 발명은 금속 표면 상에 3D 프린팅을 통하여 고경도성과 고친화성을 갖는 중간 재료층을 적층한 후에 상기 중간 재료층 상에 추가적인 표면 코팅 공정을 진행하여 코팅층의 안정성 및 제품의 성능을 향상시키는 기술에 관한 것이다.

금형 또는 공구 등의 재료인 금속강재는 그 내마모성을 향상시키기 위하여 코팅층을 형성한다. 코팅층은 대표적으로 화학 증착법이 많이 사용된다. 그런데, 예를 들면, 화학증착법은 1000℃ 정도의 고온에서 코팅층을 형성하므로 금속강재의 치수 변화나 기계적 성질의 변화가 있다. 이는, 금속강재가 매우 정밀한 부품일 경우, 치수 변화나 기계적 성질의 변화는 그 부품의 가치를 매우 저하시킨다는 문제가 있다.

상기와 같이, 마찰, 침식 또는 부식 등 마모성 환경에서 사용되는 기계 부품의 수명 연장을 위해 부품 표면을 경화하거나 내마모성 물질을 코팅하는 등의 방법이 사용되어 왔다. 코팅 물질로는 경도가 높은 물질, 즉 알루미나 등의 산화물, SiC 또는 TiC 등의 탄화물, Si3N4, TiN 등의 질화물 등 세라믹 재료가 선호되고 있다.

금속 재료의 표면을 마모나 부식으로부터 방지하기 위하여 표면에 각종 합금층을 만드는 것을 페이싱(facing)이라고 하며, 특히 기계적 마멸을 방지하기 위하여 하는 것을 하드 페이싱이라 한다.

기존에 3D 프린팅으로 표면을 강화시키는 하드페이싱 기술 등이 있지만, 고경도 소재에 적용하는 과정에서의 어려움, 표면 크랙 및 형상 제약 등 공정에 단점들이 있게 된다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 금속 상에 1차적으로 3D 프린팅을 통하여 금속 표면 상에 고경도를 갖는 재료를 적층한 후에 중간 재료층 상에 2차적으로 추가적인 표면 코팅 공정을 진행하여 코팅층의 안정성 및 제품의 성능을 향상시키는 다단 적층 공법을 제공하는 것이 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3D 프린팅 공정으로 제작된 3d 인서트물을 이용한 복합주조 공법은 기재 금속의 표면을 기계 가공하는 단계; 상기 기재 금속의 표면 상에 3D 프린팅을 통하여 고경도를 갖는 재료를 1차적으로 적층하여 중간 재료층을 형성하는 단계; 및 상기 중간 재료층 상에 2차적으로 표면 코팅 공정을 진행하는 단계;를 포함하며, 이를 통해서 코팅층의 안정성 및 제품의 성능을 향상시키는 것이 바람직할 수 있다.

상기 중간 재료층의 두께는 상기 표면 코팅층의 두께보다 더 두꺼운 것이 바람직할 수 있다.

상기 3D 프린팅은 DED 방식을 통해 진행하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 표면 코팅 공정은 CVD 방식을 통해 진행하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 표면 코팅 공정을 통해 AlTiN을 적층하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 중간 재료층 형성 단계 전에, 상기 기재 금속의 표면을 열처리하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 중간 재료층 형성 후 표면 코팅 전에, 상기 표면 코팅을 위하여 상기 중간 재료층 표면의 일부를 연마하여 평탄화 및 치수를 보정하는 단계;를 더 포함하며, 상기 기재금속 상에 중간 재료층을 0.1㎜로 적층한 상태에서 표면 코팅층을 3.5㎛ 로 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법은 금속 상에 1차적으로 3D 프린팅을 통하여 금속 표면 상에 고경도를 갖는 중간 재료를 적층한 후에 중간 재료층 상에 2차적으로 추가적인 표면 코팅 공정을 진행하여 코팅층의 안정성 및 제품의 성능을 향상하게 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법을 진행하는 과정을 보인다.
도 2는 기재 금속 상에 적층된 중간 재료층 및 표면 코팅층의 실시예를 보인다.
도 3은 본 발명에 따라 금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법을 진행하는 공정을 보인다.
도 4는 본 발명에 따른 다단 적층 공법에 적용되는 기재 금속, 열처리 여부, 중간 재료층 및 표면 코팅층의 구체적인 예들을 보인다.
도 5 내지 도 6은 도 4의 다양한 실시예들에 대한 표면 경도 테스트 결과를 보인다.
도 7 내지 도 8은 도 4의 다양한 실시예들에 대한 표면 경도 및 임계 하중 테스트 결과를 그래프로 보인다.
도 9는 도 4의 다양한 실시예들에 대하여 적층 금형을 활용하여 전단 성형 실험을 실시한 결과를 그래프로 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법을 설명한다.

본 발명은 먼저 제공되는 기재 금속(substrate)의 표면을 기계 가공(machine cutting)한다. 즉, 금속 제품을 적층이 용이한 형상으로 절삭/연마 가공하는 것일 수 있다.

기계 가공된 기재 금속을 열처리한다. 즉, 열처리를 통하여 제품의 경도를 향상 시키는 것일 수 있다. 상기 열처리 단계는 선택적으로 적용한다.

열처리 종류 및 사이클은 다음과 같다. 진공 열처리 공정 상에서, 질소 분위기 830 ℃, 1시간으로 설정한다. S45C 기준으로 한다.

상기 기재 금속의 표면 상에 3D 프린팅을 통하여 고경도를 갖는 재료를 1차적으로 적층하여 중간 재료층을 형성한다.

한편, 중간 재료층 상에 2차적으로 표면 코팅층 형성 공정을 진행하는 과정을 통해서 표면 코팅층의 안정성 및 제품의 성능을 향상시킨다.

상기의 완성된 다단 적층된 기재 금속에 대한 실험을 실시한다. 실험은 스크래치(Scratch), 압입(Indentation) 및 경도(Hardnes) 테스트 등을 실시한다.

중간 재료층을 적층하는 3D 프린팅은 PBF 내지 DED 방식을 이용한다.

PBF(Powder Bed Fusion) 방식은 CJP, SLS, DMLS 등의 방식과 유사한데, 금속 분말 내지 플라스틱 분말 등의 소재를 파우더 베드에 아주 얇은 레이어로 수평으로 평평히 깔고 고출력의 산업용 레이저(laser)나 전자빔(Electron Beam)을 조형하고자 하는 모델에 선택적으로 조사하여 소결시키거나 용융시켜 적층하는 기술이다.

금속 3d 프린터에 사용하는 레이저는 갈바노 스캐너를 사용하여 레이저의 경로를 콘트롤하고 코일로 구성된 편향 렌즈가 전자빔을 움직인다.

DED 방식은 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 조사하면 순간적으로 용융지가 생성되는 동시에 금속분말도 공급되어 실시간으로 적층하는 방식이다.

DED 방식은 여러 가지 분말을 동시에 활용하여 실시간으로 합금을 제작하거나 다른 재질을 사용할 수 있는데 DED는 비교적 정밀도가 떨어지므로 후가공이 필요하다는 약점이 있지만, 생산성이 비교적 높고 반복 재현성이 우수하며 강도와 충격치가 높은 장점을 갖고 있다.

DED 방식은 고에너지의 레이저나 전자빔을 이용하여 동축으로 분말을 공급 및 적층하는 ‘분말기반 DED’, 용접과 유사하게 고체용가재를 송급해 다양한 열원으로 용융 및 적층하는 ‘고체용가재 기반 DED’로 분류되는데, 금속 분말 소재 기반의 DED 기술방식은 전문 레이저 기술 보유 업체에 따라 DMP(Direct Metal Printing), DMD(Direct Metal Deposition), DMT(Direct Metal Tooling) , CLAD(Construction Laser Additive Direct) 등 다양한 이름으로 통용된다.

중간 재료층을 적층한 후에 표면 코팅을 위하여 중간 재료층의 표면 일부를 연마하여 평탄화 및 치수를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

표면 코팅층은 3D 프린팅 처리된 기재금속을 예시적으로 CVD 방식 등을 통해 AlTiN을 적층한다. 즉, 중간 재료층 위에 CVD 및 PVD 방식으로 코팅층을 형성하는단계일 수 있다.

상기 중간 재료층의 두께는 표면 코팅층의 두께보다 더 두껍게 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 일례를 들어, 30(가로)ㅧ30(세로)ㅧ50(높이)를 갖는 기재금속 상에 중간 재료층을 0.1㎜로 적층한 상태에서 표면 코팅층을 3.5㎛ 로 형성하는 것이 가능하다.

한편, 중간 재료층의 적층 범위를 0.1~0.3 ㎜로 한 상태에서, 표면 코팅층의 적층 범위를 3.5~4.0 ㎛로 할 수 있다.

기재금속은 SKD11 내지 S45C 를 채용한다.

도 3은 본 발명에 따라 금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법을 진행하는 공정을 보인다.

금속 제품을 적층이 용이한 형상으로 절삭/연마 가공하는 단계, 열처리를 통하여 제품의 경도를 향상 시키는단계, 금속 3D 프린팅을 통하여 가공된 표면에 고경도 소재를 적층하여 중간층을 형성하는 단계, 표면 코팅을 위하여 중간층 표면일부를 연마하여 평탄화 및 치수를 보정하는 단계, 중간 층 위에 CVD 및 PVD 방식으로 코팅층을 형성하는 단계 및 제품을 최종 치수로 가공하는 단계를 포함한다.

도 4는 본 발명에 따른 다단 적층 공법에 적용되는 기재 금속, 열처리 여부, 중간 재료층 및 표면 코팅층의 구체적인 예들을 보인다.

제1시편 내지 제4시편은 기재금속을 SKD11 로 채용한 상태에서 열처리 및 3D 프린팅 처리를 선택적으로 실시한 상태의 결과를 보인다. 제5시편 내지 제8시편은 기재금속을 S45C 로 채용한 상태에서 열처리 및 3D 프린팅 처리를 선택적으로 실시한 상태의 결과를 보인다. 한편, 표면 코팅층은 AlTiN을 공통적으로 적용한다.

도 5 내지 도 6은 도 4의 다양한 실시예들에 대한 표면 경도 테스트 결과를 보인다. 도 7 내지 도 8은 도 4의 다양한 실시예들에 대한 표면 경도 및 임계 하중 테스트 결과를 그래프로 보인다.

표면 경도 테스트 결과를 보면, 열처리를 하지 않은 상태에서 3D 프린팅을 한 경우와 하지 않은 경우를 비교할때, 각각 SKD11의 경우에는 40.4, 17,5 및 S45C의 경우에는 26.0, 2.0의 현격한 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.

임계 하중 테스트 결과를 보면, 열처리를 하지 않은 상태에서 3D 프린팅을 한 경우와 하지 않은 경우를 비교할때, 각각 SKD11의 경우에는 90.0, 73.3 및 S45C의 경우에는 90.0, 60.0의 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.

한편, 열처리를 진행한 상태에서는 열처리 자체 만으로도 표면 강화 효과가 상당하기 때문에 3D 프린팅을 한 경우와 하지 않은 경우의 차이가 열처리 미진행인 경우보다 작은 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.

도 9는 도 4의 다양한 실시예들에 대하여 적층 금형을 활용하여 전단 성형 실험을 실시한 결과를 그래프로 보인다.

구체적으로는, 눌림면, 전단면 및 파단면 각각에 대하여 기존 금형 대비 본 발명에 따른 적층 금형에서의 개선된 효과를 보인다.

그래프 상에서 수평축 단위는 타발수(Shot)를 의미하고, 수직축은 치수 (mm)를 의미한다.

기존 금형을 보면, 타발수에 따라 눌림면, 전단면 및 파단면 치수가 상당히 변동폭이 크다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 타발수 10~30를 보면 전단된 제품에서 전단면 치수가 낮고 눌림면 치수가 높은 것을 알 수 있는데, 이는 전단금형의 전단날부의 기능성이 떨어진다는 것을 의미한다.

한편, 본 발명에 따른 적층 금형을 보면 전 범위의 타발수를 따라서 눌림면, 전단면 및 파단면 치수의 변동폭이 크지 않다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 그래프가 균일하다는 것은 기능성이 유지된다는 것을 의미한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법은 금속 상에 1차적으로 3D 프린팅을 통하여 금속 표면 상에 고경도를 갖는 재료를 적층한 후에 중간 재료층 상에 2차적으로 추가적인 표면 코팅 공정을 진행하여 코팅층의 안정성 및 제품의 성능을 향상하게 한다,

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

기재 금속의 표면을 기계 가공하는 단계;
상기 기재 금속의 표면을 열처리하는 단계;
상기 기재 금속의 표면 상에 3D 프린팅을 통하여 고경도를 갖는 재료를 1차적으로 적층하여 중간 재료층을 형성하는 단계;
상기 중간 재료층 표면의 일부를 연마하여 평탄화 및 치수를 보정하는 단계; 및
상기 중간 재료층 상에 2차적으로 표면 코팅 공정을 진행하는 단계;를 포함하며, 이를 통해서 코팅층의 안정성 및 제품의 성능을 향상시키는 것을 특징으로 하는,
금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법.
제 1 항에 있어서,
상기 중간 재료층의 두께는 상기 표면 코팅층의 두께보다 더 두꺼운,
금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법.
제 1 항에 있어서,
상기 3D 프린팅은 DED 방식을 통해 진행하는,
금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법.
제 1 항에 있어서,
상기 표면 코팅 공정은 CVD 방식을 통해 진행하는,
금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법.
제 4 항에 있어서,
상기 표면 코팅 공정을 통해 AlTiN을 적층하는,
금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법.
삭제
제 2 항에 있어서,
상기 기재금속 상에 중간 재료층을 0.1㎜로 적층한 상태에서 표면 코팅층을 3.5㎛ 로 형성하는 것을 특징으로 하는,
금속 표면 상에 3D 프린팅 및 코팅 공정을 통한 다단 적층 공법.