KR102452559B1 - 3ｄ 프린팅을 이용한 다이아몬드 적층 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 다이아몬드 제품의 제작을 좀 더 쉽고 간소화된 공정으로 제작할 수 있는 방안을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 금속 3D 프린터를 이용하여 다이아몬드를 포함한 공구를 제작하는 방법을 제공한다.

Description

3Ｄ 프린팅을 이용한 다이아몬드 적층 방법{A Method for layering Diamond Using 3D Printing}

본 발명은 다이아몬드 적층 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 3D 프린팅을 이용한 다이아몬드 적층 방법에 관한 것이다.

다이아몬드는 가장 단단한 물질로서 장식용 외에도 산업용으로 사용된다. 예를 들면, 절삭공구, 건설기계 중장비, 반도체 제조용 CMP(Chemical Michenical Polishing) 장비 등의 연마장비 등에 다이아몬드가 사용된다. 산업용 다이아몬드 공구는 마이크로 미터 크기 수준의 미세 다이아몬드를 기판에 부착하여 제조된다. 미세 다이아몬드의 부착은 금속 분말에 의한 소결, 브레이징, 용사 또는 전착 도금에 의하여 이루어진다. 그외 CVD에 의한 다이아몬드 코팅도 사용된다. 다이아몬드 공구는 필요에 따라 소정 패턴에 다이아몬드 조각들이 배열되어야 하는 경우가 있다. 이러한 공구의 제작은 다이아몬드 조각을 특정 패턴으로 일일이 배열하여야 하는데, 미세 다이아몬드 조각들을 일일이 배열하는 공정 자체가 시간과 노력이 많이 드는 비효율적인 공정이 된다.

등록특허 1011555860000호의 경우, 레이저 가공으로 홈을 만들고 홈에 다이아몬드를 증착하는 방법으로 다이아몬드 공구를 제작한다. CVD에 의한 다이아몬드 증착은 고온고압 공정으로 기판 종류가 한정되며, 고비용 공정이 된다.

따라서 본 발명의 목적은 다이아몬드 공구의 제작을 좀 더 쉽고 간소화된 공정으로 제작할 수 있는 방안을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 금속 3D 프린터를 이용하여 다이아몬드 공구를 제작하는 방법을 제공한다.

즉, 본 발명은,

금속 3D 프린터의 재료 공급 노즐을 통해 기판 상에 금속 분말과 다이아몬드를 동시에 공급하고 레이저 빔을 조사하여 다이아몬드가 금속 분말의 융착에 의해 기판 상에 고정되게 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 적층방법을 제공한다.

상기에 있어서, 상기 재료공급 노즐은 금속분말을 공급하는 제1 노즐과 미세 다이아몬드를 공급하는 제2 노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 적층방법을 제공한다. 또한, 금속분말과 다이아몬드를 일정 비율로 혼합하여 제 1노즐로 공급하는 적층방법을 제공한다.

상기에 있어서, 금속합금분말은 Zr계, Ti계, Cu계, Co계 등과 브레이징 효과를 얻을 수 있는 Cu계, Ni계, Sn계 등이며 다이아몬드에 대해 반응성을 갖는 합금분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 적층방법을 제공한다.

상기에 있어서, 다이아몬드의 배열이 소정 패턴을 이루어야 할 경우, 3D 프린터에 대해 해당 패턴을 입력하여 제조하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 적층방법을 제공한다.

상기에 있어서, 금속분말의 공급속도와 다이아몬드의 공급속도를 제어하여 기판 상의 다이아몬드의 밀도와 다이아몬드의 노출정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 적층방법을 제공한다.

상기에 있어서, 3D 프린팅으로 금속분말과 다이아몬드를 함께 적층한 다음, 재료 공급 없이 레이저를 조사(助射)하여 폴리싱을 실시하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 적층방법을 제공한다.

상기에 있어서, 기판 또는 제1 노즐, 제2 노즐 및 레이저 스캔 속도를 더 조절하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 적층방법을 제공한다.

상기에 있어서, 금속분말의 공급 속도는 3D 프린터에서 제1 노즐 0.05 ~ 0.5 g/sec로 하고, 다이아몬드 공급 속도는 제2 노즐 0.005 ~ 0.1 g/sec으로 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 적층방법을 제공한다.

상기에 있어서, 스캔 속도는 5 내지 100 mm/s로 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 적층방법을 제공한다.

또한, 본 발명은,

상기의 다이아몬드 적층방법으로 제조된 다이아몬드 제품을 제공한다.

본 발명에 따르면, 다이아몬드를 일일이 배열하는 수고로움 없이 3D 프린터로 다이아몬드와 금속 분말을 동시 공급하여 레이저 융착으로 적층하기 때문에 신속하고 편리하게 다이아몬드를 적층할 수 있다.

또한, 3D 프린터에 원하는 패턴을 입력하여 다이아몬드 적층 패턴을 자유롭게 구현할 수 있다.

또한, 3D 프린팅은 미세 다이아몬드의 적층에 있어서, 무작위하면서도 전체적으로 균일한 밀도를 이루며, 다이아몬드 밀도의 제어는 피딩 노즐에 공급하는 재료 공급량 조절과 이동 속도 조절을 통해 이루어진다.

또한, 다이아몬드 적층 후, 3D 프린터에 재료 공급 없이 레이저만 구동하여 폴리싱 함으로써 불필요한 과다 분말의 제거, 불안정하게 접착된 다이아몬드의 제거가 이루어져 별도의 폴리싱 장비 없이 동일 장비에서 폴리싱을 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 3D 프린팅을 이용하여 기판에 다이아몬드를 적층하는 과정을 설명하는 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따라 3D 프린터를 이용하여 기판에 다이아몬드를 적층한 후 레이저 폴리싱을 실시하는 것을 설명하는 개요도이다.
도 3은 3D 프린터를 이용하여 합금을 적층한 것과 적층 후 레이저 폴리싱을 실시한 시편을 보여주는 사진들이다.
도 4는 본 발명에 따라 3D 프린터로 적층된 다이아몬드의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명에 따라 3D 프린터로 다이아몬드를 적층하는 공정에서 3D 프린터 구동 RPM 대비 재료 공급량을 보여주는 표와 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 3D 프린터로 다이아몬드를 적층하는 공정에서 다이아몬드 부착 매체로서 합금, 브레이징 필러를 사용함에 따라 달라지는 3D 프린팅 공정 조건을 보여주는 테이블이다.
도 7은 레이저 폴리싱에 따른 변화를 보여주는 사진이다.
도 8은 본 발명에 의해 비정질 합금과 함께 적층된 다이아몬드 상태를 보여주는 SEM 사진이다.
도 9는 3D 프린터를 이용하여 비정질 합금과 비정질 합금 및 다이아몬드를 동심원 패턴으로 적층한 것을 보여주는 사진이다.

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

본 발명은 금속 3D 프린터를 사용하여 다이아몬드를 기판 상에 적층하는 기술을 제공한다. 본 실시예에 사용된 금속 3D 프린터는 레이저 멜팅 방식으로, 노즐을 통해 금속 분말을 공급하고 레이저를 금속 분말에 조사하여 기재에 융착시켜 3D 프린팅을 실시한다.

도 1은 3D 프린팅을 이용하여 기판에 다이아몬드를 적층하는 과정을 설명한다. 금속 분말과 다이아몬드는 3D 프린터의 제1 노즐(100)과 제2 노즐(200)을 통해 기판(10)에 공급되고, 기판에 공급된 재료들을 향해 레이저 빔(300)이 조사되어 금속 분말이 융착되면서 다이아몬드를 기판에 고정시킨다. 3D 프린터의 노즐과 레이저 빔이 기판에 대해 상대적으로 진행하면서 다이아몬드 적층 영역을 넓혀간다. 노즐과 레이저 빔에 대해 기판이 스캔될 수도 있다.

금속 분말과 미세 다이아몬드는 쉴딩 가스와 함께 기판(10)에 동시에 공급된다. 레이저 빔은 금속 분말을 기판에 융착시키며, 그에 따라 미세 다이아몬드가 금속의 응고와 함께 기판에 고착되며 적층된다. 이와 같이 기판 상에 적층된 다이아몬드는 공구로 사용될 수 있다. 절삭 공구, 연마공구, 건설기계, 파쇄장비 등에 적용된다.

3D 프린팅 공정에서 기판에 공급된 금속 분말과 미세 다이아몬드는 대부분 과다 공급되어 기판 상에 융착되고 남는 잔여물이 존재하며, 기판에 완벽하게 융착되지 못한 분말들도 존재하게 된다. 이러한 잔여물들은 제거될 필요가 있으며, 이는 폴리싱에 의한다.

본 발명은 별도의 폴리싱 장비 없이, 적층에 사용된 동일 3D 프린터를 이용하여 폴리싱을 실시하였다. 즉, 3D 프린터의 노즐에 재료 공급 없이 레이저만 구동시켜 적층 구간을 조사하여 줌으로써 레이저 폴리싱이 이루어질 수 있다.

금속과 다이아몬드가 융착 고화된 표면에 레이저가 조사됨에 따라 순간적으로 멜팅 풀(melting pool)이 형성되면서, 과다 금속 분말, 불완전하게 고정된 다이아몬드 입자가 표면으로부터 제거되며, 일부는 재융착되어 안정적으로 기판에 고정된다.

도 2는 레이저 폴리싱 과정과 효과의 이해를 돕는다. 도 3은 3D 프린터를 이용하여 합금을 적층한 것과 적층 후 레이저 폴리싱을 실시한 시편을 보여주는 사진들이다. 금속 분말의 3D 프린팅 적층면은 매끈하지 않고 돌출된 분말이 잔류하고 있음을 볼 수 있고, 3D 프린터를 이용한 레이저 폴리싱에 의해 표면이 매끈하게 연마된 것을 확인할 수 있다.

3D 프린팅에 의한 다이아몬드 적층은 미세 다이아몬드를 기판에 고정시키는데 적합한 금속 분말을 선택할 수 있어야 한다. 이에 대해 본 발명은 합금 분말, 브레이징 필러 분말을 제안한다.

기판(10) 소재는 다양하나 본 실시예는 스텐레스스틸(SUS)을 선택하고 합금은 Zr계, Ti계, Cu계, Co계 합금을 선택할 수 있다. 이들은 3D 프린팅에 의해 기판에 견고하게 융착되며, 미세다이아몬드 또한 견고하게 고정시킬 수 있다. "계"라는 단어는 해당 금속 원소가 적어도 50at% 이상 포함됨을 의미한다.

또한, 다이아몬드 입자를 고정하는 브레이징 공정과 같이 3D 프린팅에 의해서도 브레이징 효과를 얻을 수 있는 Cu계, Ni계, Sn계 브레이징 필러용 합금 분말을 사용할 수 있다.

또한, 다이아몬드와 반응성이 우수한 단순 Ti계 합금분말을 사용할 수 있다.

상기에서, Zr계 비정질 합금에 포함될 수 있는 원소로는 Al, Cu, Ti, Ni, Ag, Nb, Mo, Be, Y, Sn를 들 수 있고, Ti계 비정질 합금에 포함될 수 있는 원소로는 Al, Cu, Zr, Ni, Ag, Nb, Mo, Be, Y, Sn를 들 수 있고, Cu계 비정질 합금에 포함될 수 있는 원소로는 Al, Zr, Ti, Ni, Ag, Nb, Be, Y, Sn를 들 수 있다. Cu계, Ni계, Sn계 브레이징 필러용 합금 분말에 포함될 수 있는 원소로는 Ti, Sn, Ag, Fe, V를 들 수 있고, Ti계 합금분말은 Ti가 80 at.% 이상으로 포함될 수 있고, 합금될 수 있는 원소로는 Al, Ni, Co, Nb, Mo, Si, Cr, Sn, In, B, V, Fe 를 들 수 있다.

금속 분말 입도는 10 내지 200um로 할 수 있고, 다이아몬드 입도는 10 내지 200um 인 것을 적용할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따라 3D 프린터로 적층된 다이아몬드의 SEM 사진이다.

평균 입도 145um의 다이아몬드가 무작위적이면서도 전체적으로는 균일한 밀도로 기판 상에 적층된 것을 확인할 수 있다. 다이아몬드의 뾰족한 부분이 노출된 상태로 금속에 의해 기판에 고정되어 다이아몬드의 초고경도를 활용한 공구로 사용되기에 적합하다.

다이아몬드의 밀도를 최적화하기 위해서는 3D 프린터에서 노즐에 대한 재료 공급량 또는 공급 속도 그리고 기판 또는 노즐의 스캔 속도(적층 진행 속도)를 조절해야 한다. 도 5는 3D 프린터 구동 RPM 대비 재료 공급량을 보여주는 표와 그래프이다. RPM 값에 거의 비례하여 다이아몬드 입자 공급량이 증가한다. 따라서 RPM 값에 대한 다이아몬드의 초당 적층 중량을 측정하고, 그에 따라 기판 또는 노즐 스캔 속도를 최적화할 수 있다. 즉, 금속분말의 분사량과 미세 다이아몬드의 분사량을 제어하여 공구 기판 상의 다이아몬드의 밀도와 다이아몬드의 노출정도를 조절한다.

도 6은 본 실시예에서 최적화한 3D 프린팅 공정 조건을 보여준다. 다이아몬드 부착 매체로서 합금, 브레이징 필러를 사용함에 따라 달라지는 RPM 값과 스캔 속도를 제시하였다. 모든 경우, 다이아몬드 공급은 5 내지 20RPM, 적층열 피치는 0.5mm, 적층 두께는 0.1 내지 0.2mm로 모두 같고, 레이저 폴리싱 공정 조건도 모두 동일하다. 브레이징 필러를 사용할 경우, 다른 부착 매체를 사용하는 경우에 비해, RPM과 스캔 속도가 다소 빠르게 설정된다.

다이아몬드 분율이 높아지면 레이저 폴리싱에 의해 탄화현상이 나타날 수 있어 도 6에 제시된 범위 내로 공급하는 것이 바람직하다.

3D 프린터에서 제1 노즐을 통한 금속분말의 공급 속도는 0.05 ~ 0.5 g/sec로 하고, 제2 노즐을 통한 다이아몬드 공급 속도는 0.005 ~ 0.1 g/sec로 할 수 있다.

또한, 금속분말과 다이아몬드를 일정 비율로 혼합하여 제 1노즐로 공급하는 적층방법을 적용할 수 있다. 이 경우, 공급 속도는 0.005 ~ 0.5 g/sec로 할 수 있다.

기판 또는 노즐/레이저의 상대 이동 속도인, 스캔 속도는 5 내지 100 mm/s로 할 수 있다.

도 7은 레이저 폴리싱에 따른 변화를 보여주는 사진이다. 비정질 합금만을 적층한 다음 레이저 폴리싱한 것(좌)과 다이아몬드를 함께 공급 적층한 후 레이저 폴리싱 한 것(우)을 폴리싱 전후 대비하여 보였다.

도 8은 본 발명에 의해 비정질 합금과 함께 적층된 다이아몬드 상태를 보여주는 SEM 사진이다. 미세 다이아몬드가 금속물질에 의해 기판상에 안정적으로 고정되어 있고, 절단 기능을 할 수 있도록 뾰족한 부분이 노출되어 있는 것을 확인할 수 있다.

도 9는 3D 프린터를 이용하여 비정질 합금과 비정질 합금 및 다이아몬드를 동심원 패턴으로 적층한 것을 보여주는 사진이다.

다이아몬드 공구는 그 기능에 따라 다이아몬드가 특정 패턴을 따라 배열될 필요가 있다. 종래 기술에서는 이를 위해 미세 다이아몬드를 일일이 패턴에 맞추어 배열하여야 하는 어려움이 있었지만, 본 발명은 3D 프린팅을 적용함으로써 매우 편리하게 다이아몬드를 패턴에 맞추어 배열할 수 있다. 3D 프린터에 대해 해당 패턴을 입력하는 것으로 원하는 다양한 패턴을 쉽게 구현할 수 있다. 이는 3D 프린팅이 생산성 및 양산성을 향상시킨 것임을 보여준다.

상기와 같이 3D 프린팅에 의해 기판상에 적층된 다이아몬드는 공구 외에 장식품, 광학기기 등으로도 활용될 수 있다.

한편, 상기 실시 예와 실험 예들에서 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것으로 필요에 따라 변형 가능함은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 기판
100: 제1 노즐
200: 제2 노즐

Claims (12)

1. 금속 3D 프린터의 재료 공급 노즐을 통해 기판 상에 금속 분말과 다이아몬드를 동시에 공급하고 레이저 빔을 조사하여 다이아몬드가 금속 분말의 융착에 의해 기판 상에 고정되게 하고,
   상기 재료공급 노즐은 금속분말을 공급하는 제1 노즐과 미세 다이아몬드를 공급하는 제2 노즐을 구비하고,
   금속분말의 공급속도와 다이아몬드의 공급속도를 제어하여 기판 상의 다이아몬드의 밀도와 다이아몬드의 노출정도를 조절하고,
   3D 프린팅으로 금속분말과 다이아몬드를 함께 적층한 다음, 재료 공급 없이 레이저를 조사(助射)하여 레이저 폴리싱을 실시하고,
   레이저 폴리싱에서 기판 또는 레이저의 상대 이동 속도인 스캔 속도는 5 내지 100 mm/s로 하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 다이아몬드 적층방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 금속분말은 비정질 합금을 이루는 Zr계, Ti계, 또는 Cu계, 브레이징 효과를 얻을 수 있는 Cu계, Ni계, 또는 Sn계, 또는 다이아몬드에 대해 반응성을 갖는 Ti계, 또는 Co계 합금분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 다이아몬드 적층방법.
4. 제1항에 있어서, 다이아몬드의 배열이 소정 패턴을 이루어야 할 경우, 3D 프린터에 대해 해당 패턴을 입력하여 제조하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 다이아몬드 적층방법.
   
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 다이아몬드가 금속 분말의 융착에 의해 기판 상에 고정되게 함에 있어서, 기판 또는 제1 노즐, 제2 노즐 및 레이저 스캔 속도를 더 조절하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 다이아몬드 적층방법.
8. 제7항에 있어서, 3D 프린터에서 제1 노즐을 통해 공급되는 금속분말의 공급속도는 0.05 ~ 0.5 g/sec로 하고, 제2 노즐을 통해 공급되는 다이아몬드 공급 속도는 0.005 ~ 0.1 g/sec로 하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 다이아몬드 적층방법.
9. 제8항에 있어서, 스캔 속도는 5 내지 100 mm/s로 하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 다이아몬드 적층 방법.
   
10. 삭제
11. 제1항, 제3항, 제4항, 또는 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항의 다이아몬드 적층 방법으로 제조된 기판 상에 적층된 다이아몬드.
12. 제11항의 기판 상에 적층된 다이아몬드는 공구인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
    
    
    
    
    
    

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