KR102477652B1 - 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법은, 금속 재료를 용융풀(molten pool)에 접촉시킬 때마다 전류에 의해 발생되는 아크 플라즈마를 통해 상기 금속 재료의 용융 방울이 상기 용융풀로 단락 이행(short circuit transfer)하여 3차원 공간에서 연속적으로 자유롭게 적층하는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법으로서, 상기 용융풀에 작용되는 중력, 아크 압력 또는 상기 금속 재료의 단락 중 적어도 하나에 따른 외력보다 상기 용융풀의 표면 장력을 강하게 유지시키기 위하여 상기 용융풀의 부피를 미리 설정된 부피 이하로 제어할 수 있다.

Description

아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물 {CONTINUOUS METAL DEPOSITION MANUFACTURING METHOD BASED ON ARC PLASMA AND CONTINUOUS METAL DEPOSITION MANUFACTURED BY THE SAME}
본 발명은 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물에 관한 것으로서, 더 상세하게는 아크 플라즈마를 열원으로 사용하여 금속을 3차원 공간 상에서 연속적으로 자유롭게 적층할 수 있고, 금속의 연속 적층 과정에서 액체 상태의 용융풀이 흘러내리는 현상을 방지할 수 있는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물에 관한 것이다.
일반적으로, 기존의 금속 적층 제조기법에서는 레이저 또는 아크 플라즈마가 열원으로 사용되고 있다. 그 중에서, 아크 플라즈마를 열원으로 사용하면, 레이저를 열원으로 사용하는 것에 비해 저가이고 대용착으로 형상을 적층할 수 있는 장점이 있다.
상기와 같은 금속 적층 제조기법은 3D 프린팅 기법과 마찬가지로 3차원의 형상을 적층하기 위해 2차원의 단면을 슬라이싱(slicing)하여 한 층씩 쌓는 방식인 레이어 바이 레이어(layer by layer) 방식으로 공정이 수행되고 있다. 즉, 기존의 금속 적층 제조기법은 열원에 의해 용융된 액체 상태의 용융풀(molten pool)을 냉각 공정을 통해 완전히 응고시킨 후 그 위에 다시 금속을 적층시키는 제조 방식이다. 하지만, 기존의 금속 적층 제조기법은 높은 입열량으로 인해 층간 적층물의 냉각을 위해서 수십 초 내지 수백 초 동안의 냉각시간이 요구되는 불연속 공정에 해당한다.
아크 플라즈마를 열원으로 사용하는 경우, 연속 적층이 안되는 원인은 높은 입열량으로 인한 온도 인자의 원인도 있지만, 지속적인 용적(熔滴) 이행으로 인해 용융풀의 부피가 증가하게 되면서 중력의 영향으로 중력 방향을 따라 흘러내리는 것이 가장 큰 원인이다. 따라서, 아크 플라즈마를 열원으로 사용하는 기존의 금속 적층 제조기법은 용융풀을 냉각 응고시키면서 한층한층씩 적층하는 구조이기 때문에 금속을 연속적으로 적층하는 것은 불가능하다.
최근에는 아크 플라즈마를 열원으로 사용하는 Gas Metal Arc Welding(GMAW)기반의 금속 연속 및 고속 적층 제조기술이 개발되고 있지만, 앞서 언급한 바와 같이 용적 이행을 통한 금속의 적층물을 제조하는 과정에서 액체 상태의 용융풀이 중력, 아크 압력 또는 금속의 단락 등의 외력에 의해 흘러내리는 문제는 여전히 존재하고 있는 실정이다.
일례로, 관련 선행기술문헌으로는 한국등록특허 제10-1698810호 (발명의 명칭: 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터 및 그 제어방법, 등록일: 2017.02.02) 및 한국공개특허 제10-2014-0038958호 (발명의 명칭: 임의 형상 제작에 의해 금속 물품들을 제조하기 위한 방법 및 배열체, 공개일: 2014.03.31)가 있다.
한국등록특허 제10-1698810호 (2017.02.02 등록) 한국공개특허 제10-2014-0038958호 (2014.03.31 공개)
본 발명의 실시예는 아크 플라즈마를 열원으로 사용하여 금속을 3차원 공간 상에 연속적으로 자유롭게 적층하여 금속 연속 적층물을 3차원 공간에 자유 형상으로 신속하고 간편하게 제조할 수 있는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 금속의 단락 이행(short circuit transfer)시 용융풀의 부피를 미리 설정된 부피 이하로 제어함으로써 액체 상태의 용융풀에 대한 표면 장력을 중력, 아크 압력 또는 금속의 단락 등의 외력보다 크게 유지하여 용융풀이 외력에 의해 흘러내리는 현상을 방지할 수 있는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 금속의 단락 이행시 사용되는 전류 파형을 통해 용융풀의 부피를 간편하게 제어할 수 있고, 용융풀의 부피를 미리 설정된 부피 이하로 원활하게 유지할 수 있는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 금속 재료를 용융풀(molten pool)에 접촉시킬 때마다 전류에 의해 발생되는 아크 플라즈마를 통해 상기 금속 재료의 용융 방울이 상기 용융풀로 단락 이행(short circuit transfer)하여 3차원 공간에서 연속적으로 자유롭게 적층하는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법으로서, 상기 용융풀에 작용되는 중력, 아크 압력 또는 상기 금속 재료의 단락 중 적어도 하나에 따른 외력보다 상기 용융풀의 표면 장력을 강하게 유지시키기 위하여 상기 용융풀의 부피를 미리 설정된 부피 이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 용융풀의 부피를 제어하는 방법은 상기 금속 재료의 단락 이행을 제어하기 위한 전류 파형을 통해 구현될 수 있다. 상기와 같은 전류 파형은 상기 금속 재료의 재질 및 상기 전류의 크기에 따라 변경될 수 있다.
바람직하게, 상기 전류 파형은 단위 전류 파형을 반복하는 형태로 구성될 수 있다.
상기 단위 전류 파형은, 상기 금속 재료의 단락 이행을 미리 설정된 단락횟수만큼 반복적으로 실시하는 단락 이행 구간, 및 상기 단락 이행 구간이 완료되면 전류의 공급을 차단하여 상기 용융풀을 미리 설정된 응고시간동안 응고시키는 응고 구간으로 제공될 수 있다.
바람직하게, 상기 단락 이행 구간에서는 상기 금속 재료에서 상기 용융풀로 유입되는 부피를 상기 단락횟수로 결정할 수 있고, 상기 응고 구간에서는 상기 용융풀의 응고되는 부피를 상기 응고시간으로 결정할 수 있다.
여기서, 상기 단락횟수와 상기 응고시간은, 상기 금속 재료에서 상기 용융풀로 유입되는 부피 및 상기 용융풀의 응고 부피가 서로 동일하도록 설정될 수 있다.
또한, 상기 단락횟수와 상기 응고시간은, 상기 용융풀이 응고되기 이전의 액체 상태에서 상기 금속 재료의 단락 이행을 반복적으로 수행하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법에 의해 3차원 공간에서 자유 형상으로 연속 적층된 금속 연속 적층물을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물은, 아크 플라즈마를 열원으로 사용한 단락 이행을 통해서 금속 재료를 3차원 공간 상에 연속적으로 자유롭게 적층할 수 있고, 특히 금속 연속 적층물을 3차원 공간에 자유 형상으로 신속하고 간편하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물은, 금속 재료의 단락 이행에 의해 생성된 용융풀의 부피를 미리 설정된 부피 이하로 제어함으로써 액체 상태의 용융풀에 작용되는 표면장력을 중력, 아크 압력 또는 금속재료의 단락 중 적어도 하나로 이루어진 외력보다 크게 유지시킬 수 있고, 그로 인하여 액체 상태의 용융풀이 외력에 의해 흘러내리지 않고 반구 형태를 안정적으로 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물은, 금속 재료의 단락 이행을 제어하기 위한 전류 파형을 이용하여 용융풀의 부피를 간편하게 제어할 수 있고, 특히 금속 재료의 재질 및 전류의 크기에 따라 전류 파형을 적절하게 설정함으로써 다양한 금속 적층 조건에 적합한 부피로 용융풀의 부피를 변경하거나 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물은, 전류 파형을 구성하는 단위 전류 파형의 단락횟수와 응고시간을 통하여 용융풀의 부피를 간편하게 조절하는 방식이므로, 단위 전류 파형의 단락횟수를 적절하게 설정하여 금속 재료의 단락 이행시 금속 재료에서 용융풀로 유입되는 부피를 결정할 수 있고, 단위 전류 파형의 응고시간을 적절하게 설정하여 용융풀이 응고되는 부피를 결정할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 단위 전류 파형의 단락횟수와 응고시간을 설정하는 간단한 방법을 통해서 응용풀의 부피를 희망하는 부피로 원활하고 간편하게 변경하고 그 희망하는 부피로 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물은, 금속 재료의 단락 이행시 용융풀을 액체 상태로 유지하면서 용융풀의 일부를 지속적으로 응고시켜 연속 적층하는 방식이므로, 3차원 공간에 다양한 적층 경로를 따라 자유롭게 연속 적층할 수 있고, 금속 연속 적층물의 표면을 매끄럽게 제조할 수 있으며, 금속 연속 적층물의 품질도 우수하게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물은, 용융풀을 냉각시키면서 레이어 바이 레이어 방식으로 한층한층씩 쌓는 기존의 방식과 비교하여 용융풀을 냉각시키는 공정을 생략할 수 있고, 금속 연속 적층물의 제조 시간을 대폭 단축하여 금속 연속 적층물의 생산량을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법 및 그것에 의해 제조된 금속 연속 적층물은, 3D 프린팅 기술과 달리 서포트 없이 허공에 금속 재료의 적층이 연속적으로 자유롭게 이루어지는 구조이므로, 3차원 설계된 구조물을 3차원 공간에서 그대로 연속 적층할 수 있고, 금속 연속 적층물의 제조 작업을 쉽고 신속하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법에 의한 금속 연속 적층물의 제조 상태가 도시된 사시도이다.
도 2와 도 3은 도 1에 도시된 금속 연속 적층물의 용융풀을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 용융풀의 응고 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 금속 연속 적층 제조방법에서 사용되는 단위 전류 파형 및 용융풀의 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 단위 전류 파형으로 구성된 전류 파형 및 용융풀의 상태를 나타낸 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법에 의한 금속 연속 적층물(110)의 제조 상태가 도시된 사시도이고, 도 2와 도 3은 도 1에 도시된 금속 연속 적층물(110)의 용융풀(120)을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 4는 도 2에 도시된 용융풀(120)의 응고 과정을 나타낸 도면이다. 도 5는 도 1에 도시된 금속 연속 적층 제조방법에서 사용되는 단위 전류 파형 및 용융풀(120)의 상태를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 단위 전류 파형으로 구성된 전류 파형 및 용융풀(120)의 상태를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 금속 연속 적층물(110)은 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법에 의해 금속 재료를 3차원 공간에서 자유롭게 연속 적층하여 자유 형상으로 제조될 수 있다.
즉, 도 1에는 GMAW(Gas Metal Arc Welding) 타입의 토치(100)를 사용하여 3차원 공간에 배치된 기재(10) 상에서 금속 재료(미도시)를 허공으로 연속 적층한 금속 연속 적층물(110)이 도시되어 있다.
본 실시예의 금속 연속 적층물(110)은 CLIMP(Continuous Liquid Interface of Metal deposition Process) 공정을 적용하여 제조하되, 적층 제조 경로와 전류 파형을 제어하여 용융풀(120)이 항상 액체 상태에서 연속적으로 적층되는 메커니즘이다. 통상적으로, 기존의 3D 프리팅 기법에서는 폴리머를 사용하는 3D 팬(3D pen)이 3차원 공간상에서 움직이는 방향으로 폴리머를 프린팅하는데, 이와 동일하게 본 실시예의 금속 연속 적층물(110)도 아크 플라즈마 열원을 사용하여 금속 재료를 3차원 공간 상에 연속적이고 자유롭게 적층 제조할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 GMAW 타입의 토치(100)가 3차원 공간 상에서 자유롭게 움직이면서 기재(10) 위에 금속 재료를 연속적으로 적층하여 금속 연속 적층물(110)을 제조할 수 있다. 그러므로, 본 실시예의 금속 연속 적층물(110)은 2D 방식의 제한된 공정 자유도를 탈피해서 3D CAD 모델링을 바탕으로 3차원 공간 상에 원하는 형상으로 바로 적층하여 제조할 수 있다.
특히, 본 실시예에서는 공중에 떠는 형상의 금속 연속 적층물(110)을 제조할 때 별도의 서포트 구조물 없이도 금속 재료를 적층하여 제조할 수 있다. 반면에, 기존의 3D 프린팅 기법에서는 공중에 떠있는 형상을 프린팅 제조하기 위한 서포트(Support)가 반드시 사용되고 있다. 예를 들면, 본 실시예에서는 토치(100)로 허공에 서포트 역할이 가능한 금속 구조물을 먼저 적층한 후 그 금속 구조물에 금속 재료를 다시 적층하는 방식으로 금속 연속 적층물(110)을 제조하는 것도 바람직하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 금속 연속 적층물(110)은 수직부(111), 경사부(112), 헬리컬부(113), 수평부(114), 오버헤드부(115) 및 스플라인부(116) 등으로 제공될 수 있다.
즉, 본 실시예에서는, 토치(100)에서 발생되는 아크 플라즈마(A)를 이용하여 와이어 형태의 금속 재료를 용융시킬 수 있고, 그 금속 재료의 용융 방울(D)을 용융풀(120)에 이행시켜 금속 연속 적층물(110)을 연속적으로 적층 제조할 수 있다. 이때, 금속 연속 적층물(110)은 금속 재료의 용융 방울(D)을 적층하는 경로에 따라 다양한 형상으로 자유롭게 제조될 수 있다.
예를 들면, 수직부(111)는 금속 재료의 용융 방울(D)을 수직 경로를 따라 적층한 구조물이고, 경사부(112)는 금속 재료의 용융 방울(D)을 경사 경로를 따라 적층한 구조물이며, 수평부(114)는 금속 재료의 용융 방울(D)을 수평 경로를 따라 적층한 구조물이다. 또한, 헬리컬부(113)는 금속 재료의 용융 방울(D)을 나선 경로를 따라 적층한 구조물이고, 오버헤드부(115)는 금속 재료의 용융 방울(D)을 아래로 볼록한 포물선 경로를 따라 적층한 구조물이며, 스플라인부(116)은 금속 재료의 용융 방울(D)을 스플라인 경로를 따라 적층한 구조물이다.
상기와 같이 금속 연속 적층물(110)은, 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법에 의해 금속 재료를 수직부(111), 경사부(112), 헬리컬부(113), 수평부(114), 오버헤드부(115) 및 스플라인부(116) 등으로 연속 적층한 구조로 제조할 수 있다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 금속 연속 적층물(110)의 제조에 사용되는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법은, 금속 재료를 용융풀(120)에 접촉시킬 때마다 전류에 의해 발생되는 아크 플라즈마(A)를 통해 금속 재료의 용융 방울(D)이 용융풀(120)로 단락 이행(short circuit transfer)하면서 연속적으로 자유롭게 적층 제조할 수 있다.
여기서, 본 실시예에서는 금속 재료의 단락 이행시 용융풀(120)의 부피를 미리 설정된 부피(V1) 이하로 제어함으로써 용융풀(120)의 표면 장력(T)을 용융풀(120)에 작용하는 외력보다 강하게 형성하여 반구 형태의 용융풀(120)을 안정적으로 유지할 수 있다. 상기와 같은 외력은 중력(G), 아크 압력 또는 금속 재료의 단락 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 외력을 중력(G)으로 한정하여 설명하기로 한다.
통상적으로, 아크 플라즈마(A)를 열원으로 이용하여 금속 연속 적층물(110)을 연속적으로 적층 제조할 때, 연속 적층이 안되는 원인으로는 높은 입열량으로 인한 온도 인자의 원인도 있지만, 그 보다는 지속적인 용적이행으로 인해 용융풀(120)의 부피가 증가하여 중력(G)의 영향으로 인해 흘러내리는 것이 더 큰 원인이다. 그로 인하여, 본 실시예에서는 용융풀(120)의 부피를 미리 설정된 부피(V1) 이하로 제어함으로써 액체 상태의 용융풀(120)에 대한 표면 장력(T)을 중력(G)보다 강하게 유지시킬 수 있다. 상기와 같이 부피 제어를 통해 용적이행이 완료된 용융풀(120)은 중력(G)에 의해 흘러내리지 않고 표면 장력(T)에 의해 반구의 형태를 유지할 수 있다.
즉, 기존의 금속 적층 제조기법은 한층한층씩 쌓는 레이어 바이 레이어 방식이기 때문에 액체 상태의 용융풀(120)이 냉각 공정으로 인해 완전히 응고된 후 그 위에 다시 적층하지만, 본 실시예의 금속 연속 적층 제조방법은 액체 상태의 용융풀(120)을 완전히 응고시키지 않고 중력(G)를 견딜 수 있는 용융풀(120)의 부피를 유지하면서 3차원 공간에서 연속적으로 자유롭게 적층 경로를 따라 적층할 수 있다.
예를 들면, 도 2에는 표면 장력(T)에 의해 용융풀(120)이 반구 형태를 유지하는 상태가 도시되어 있고, 도 3에는 중력(G)에 의해 용융풀(120)이 흘러내리는 상태가 도시되어 있다. 참고로, 도 2와 도 3에서는 금속 재료의 단락 이행시 금속 재료의 용융 방울(D)이 용융풀(120)에 지속적으로 이행되고 있는 상태이다. 이때, 도 2에 도시된 용융풀(120)의 부피는 미리 설정된 부피(V1)에 도달된 상태이고, 도 3에 도시된 용융풀(120)의 부피는 미리 설정된 부피(V1)보다 더 큰 부피(V2)로 증가된 상태이다. 따라서, 도 3에서는 용융풀(120)에 작용되는 중력(G)이 용융풀(120)의 표면 장력(T)보가 크기 때문에 액체 상태의 용융풀(120)이 하측을 향해 흘러내릴 수 있고, 그 흘러내린 용융풀(120)은 금속 재료의 적층 경로를 벗어난 비정상적인 위치에서 응고되거나 3차원 공간의 바닥면으로 낙하될 수 있다. 결과적으로, 용융풀(120)의 부피가 미리 설정된 부피(V1)보다 커지는 경우, 금속 연속 적층물(110)의 연속 적층 제조가 불가능해지는 문제가 있다.
한편, 본 실시예에 따른 용융풀(120)의 부피를 제어하는 방법은, 금속 재료의 단락 이행을 제어하기 위한 전류 파형을 통해 구현될 수 있다. 상기와 같은 전류 파형은 금속 재료의 재질 및 전류의 크기에 따라 변동될 수 있다. 즉, 전류 파형은 금속 재료의 종류와 전류의 크기에 따라 다양하게 설정되어 금속 연속 적층물(110)의 제조시 선택적으로 적용될 수 있다.
즉, 본 실시예는 금속 재료의 연속적인 적층이 가능한 아크 플라즈마 기반의 자유형상 적층 방법에 관한 것으로써, 용융풀(120)의 부피를 전류 파형으로 제어함으로써 액체인 용융풀(120)의 표면 장력(T)을 중력(G)보다 강하게 유지시키되, 용융풀(120)의 부피는 전류와 단락횟수로 제어할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 금속 재료를 연속적으로 적층하기 위해서 용융풀(120)의 부피를 제어하기 위한 전류 파형을 선택적으로 사용할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 전류 파형은, 미리 설정된 단위 전류 파형(U)을 반복하는 형태로 구성될 수 있다. 상기와 같이 단위 전류 파형(U)이 반복적으로 실시되면, 금속 재료는 액체 상태의 용융풀(120)에 연속적으로 단락 이행될 수 있고, 그와 동시에 액체 상태의 용융풀(120)은 연속적으로 응고되면서 금속 연속 적층물(110)이 3차원 공간에 적층 제조될 수 있다. 도 5와 도 6에는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법에서 사용되는 전류 파형의 일예가 도시되어 있되, 해당 전류 파형의 위치에 따른 용융풀(120)의 상태 변화가 사진으로 첨부되어 있다.
예를 들면, 단위 전류 파형(U)은, 금속 재료의 단락 이행을 미리 설정된 단락횟수만큼 반복적으로 실시하는 단락 이행 구간(M), 및 단락 이행 구간(M)이 완료되면 전류의 공급을 차단하여 용융풀(120)을 미리 설정된 응고시간동안 응고시키는 응고 구간(S)으로 제공될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 단락 이행 구간(M)에서는 금속 재료에서 용융풀(120)로 유입되는 용융 방울(D)의 부피를 단락횟수로 결정할 수 있다. 물론, 단락 이행 구간(M)에서 제공되는 전류의 크기도 금속 재료에서 용융풀(120)로 유입되는 용융 방울(D)의 부피를 결정하는 중요 요소이지만, 전류의 크기가 미리 결정된 상태에서는 단락횟수의 증감으로 용융풀(120)로 유입되는 용융 방울(D)의 부피를 설정하는 것이 바람직하다.
참고로, 도 5의 "MT"는 단락 이행 구간(M)에서 단락횟수만큼 반복적으로 단락이 일어날 때의 전류 파형 전체를 나타낸 것이고, 도 5의 "M0"는 단락 이행 구간(M)에서 한 번의 단락이 일어난 때의 전류 파형을 넓게 펼쳐 나타낸 것이다. 따라서, 단락 이행 구간(M)에서는 단락횟수만큼 단락이 반복적으로 발생되면서 금속 재료의 용융 방울(D)이 용융풀(120)에 반복적으로 단락 이행될 수 있다. 이때, 금속 재료의 용융 방울(D)에 대한 부피를 미리 실험을 통해 검출해 놓으면, 단락횟수에 따른 용융 방울(D)의 공급 부피를 산출할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 응고 구간(S)에서는 용융풀(120)이 응고되는 부피를 응고시간으로 결정할 수 있다. 상기와 같은 용융풀(120)의 응고 작용은, 금속 연속 적층물(110)과 연결된 부위에서 금속 연속 적층물(110)과의 전도 현상에 의해 응고가 진행될 수 있고, 토치(100)의 아크 플라즈마(A)가 작용되는 부위에서 대기와의 접촉을 통한 대류 현상에 의해 응고가 진행될 수 있다. 상기와 같은 응고 구간(S)의 응고시간은 용융풀(120)의 응고 부피와 비례 관계이기 때문에 응고시간의 조절을 통해 용융풀(120)의 응고 부피를 제어할 수 있다.
참고로, 도 4에는 용융풀(120)의 응고 과정이 순차적으로 도시되어 있다. 이때, 단락 이행 구간(M)이 끝나는 경우에는 금속 연속 적층물(110)과 연결된 용융풀(120)의 일측에서 전도에 의한 응고가 발생할 수 있고, 단락 이행 구간(M)이 끝나고 일정 시간이 지난 경우에는 금속 연속 적층물(110)과 연결된 용융풀(120)의 일측에서 전도로 인한 응고가 발생하는 것과 동시에 금속 연속 적층물(110)과 연결되지 않은 용융풀(120)의 타측 표면에서 대류로 인한 응고가 발생한다. 도 4를 기준으로 설명하면, 응고 구간(S)에서는, 용융풀(120)의 하부가 전도에 의해 응고되어 점차 고체화됨과 아울러 용융풀(120)의 상부도 액체 상태를 유지한 상태에서 대류에 의해 점차 고체화될 수 있다.
여기서, 도 4의 (a)는 단락 이행 구간에서 응고 구간(S)으로 진입된 시점으로서, 용융풀(120)의 부피가 미리 설정된 부피(V1) 이하로 제어된 상태이므로 표면 장력(T)이 중력(G)보다 크게 작용되어 용융풀(120)이 반구 형상으로 유지되고 있다.
그리고, 도 4의 (b)는 응고 구간(S)에 진입된 후 일정 시간이 지난 시점으로서, 금속 연속 적층물(110)과 연결된 용융풀(120)의 하부가 금속 연속 적층물(110)과의 전도 현상에 따라 응고되되, 그에 반하여 금속 연속 적층물(110)과 연결되지 않은 용융풀(120)의 상부는 단락 이행 구간에서 제공된 열에 의해 액체 상태로 유지되고 있다.
또한, 도 4의 (c)는 응고 구간(S)이 끝나는 시점으로서, 금속 연속 적층물(110)과 연결된 용융풀(120)의 하부가 금속 연속 적층물(110)과의 전도 현상에 따라 완전히 응고되어 제1 응고체(124)가 형성될 수 있고, 금속 연속 적층물(110)과 연결되지 않은 용융풀(120)의 상부 중 제1 응고체(124)와 연결된 부위도 대기와의 대류 현상에 따라 응고되어 제2 응고체(126)가 형성될 수 있다. 즉, 제1,2 응고체(124, 126)는 금속 연속 적층물(110)의 적층 부위로서, 다음 단위 전류 파형(U)에서 액체 상태의 용융풀(120)을 접촉 상태로 지지할 수 있다. 반면에, 금속 연속 적층물(110)과 연결되지 않은 용융풀(120)의 상부 중 나머지 부분은 액체 상태를 유지한 후 다음 단위 전류 파형(U)에서 금속 재료의 용융 방울(D)가 공급되는 용융풀(120)를 형성할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 전류 파형은 미리 설정된 개수의 단위 전류 파형(U)을 연속적으로 반복하도록 마련될 수 있다. 즉, 본 실시예의 전류 파형은, 용융풀(120)에 유입되는 용융 방울(D)의 부피 및 용융풀(120)의 응고되는 부피를 평형화시켜 용융풀(120)의 부피를 미리 설정된 부피로 일정하게 유지할 수 있고, 그런 액체 상태의 용융풀(120)에 대한 표면 중력(T)을 중력(G)보다 크게 유지하여 용융풀(120)이 흘러내리지 않고 금속 재료의 연속 적층 작업이 이루어질 수 있다. 상기와 같이 단위 전류 파형(U)을 반복적으로 실시하면, 금속 연속 적층물(110)에 대한 연속 적층이 이루어지면서 적층 길이도 점차적으로 길어질 수 있다.
여기서, 단락 이행 구간(M)의 단락횟수는 금속 재료에서 용융풀(120)로 유입되는 용융 방울(D)의 부피에 대해 비례 관계에 있고, 응고 구간(S)의 응고시간은 용융풀(120)의 응고 부피에 대해 비례 관계에 있다. 따라서. 단락 이행 구간(M)의 단락횟수 및 응고 구간(S)의 응고시간은, 금속 재료에서 용융풀(120)로 유입되는 용융 방울(D)의 부피 및 용융풀(120)의 응고 부피가 서로 동일하도록 설정되되, 그로 인하여 용융풀(120)의 부피가 일정하게 유시될 수 있다.
또한, 단락 이행 구간(M)의 단락횟수 및 응고 구간(S)의 응고시간은, 금속 재료의 단락 이행에 따른 연속 적층시 용융풀(120)이 완전히 응고되지 않고 액체 상태를 유지하도록 설정될 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 용융풀(120)이 액체인 상태로 연속적인 금속 적층이 이루어질 수 있고, 그에 따라 기존의 금속 적층 제조기법과 비교하면 한층 씩 냉각시켜 적층하는 레이어 바이 레이어 방식보다 제조 시간을 단축시킬 수 있고 생산량도 획기적으로 높일 수 있다.
일례로, 금속 재료가 Inconel 625 또는 SUS 308 중 어느 하나이고 전류가 60A일 경우, 단락횟수를 20~40회 중 어느 하나로 설정하는 것이 바람직할 수 있고, 응고시간을 0.4~0.6s로 설정하는 것이 바람직할 수 있다. 만약, 금속 재료의 종류와 전류의 크기에 따른 단락횟수와 응고시간의 설정값을 데이터 베이스로 저장하면, 실제 사용시 데이터 베이스의 설정값을 이용하여 단락횟수와 응고시간을 간편하게 결정할 수 있고, 그로 인해서 금속 연속 적층 제조방법의 단락 이행에 사용되는 전류 파형도 간편하게 도출할 수 있다.
한편, 도 6에는 단위 전류 파형(U)을 1번, 2번, 4번 또는 6번 실시할 때 용융풀(120)의 위치 변화가 사진으로 첨부되어 있다. 즉, 용융풀(120)의 위치는 도 6의 (a)에서 도 6의 (d)로 갈수록 점점 상측으로 올라가는 것으로 도시되어 있다. 이는 금속 연속 구조물(110)의 길이가 단위 전류 파형(U)의 반복에 따라 점차 길어지는 것으로 파악될 수 있다. 실제로, 도 6에서는 금속 연속 구조물(110)의 길이가 도 6의 (a)에서 도 6의 (d)까지 4.75mm로 증가한 것으로 나타나고 있으며, 도 6의 (a) 내지 도 6의 (d)에 도시된 용융풀(120)의 부피는 모두 동일 유사하게 유지되고 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 토치
110: 금속 연속 적층물
120: 용융풀
10: 기재
T: 표면 장력
G: 중력
M: 단락 이행 구간
S: 응고 구간
U: 단위 전류 파형

Claims (7)

  1. 금속 재료를 용융풀(molten pool)에 접촉시킬 때마다 전류에 의해 발생되는 아크 플라즈마를 통해 상기 금속 재료의 용융 방울이 상기 용융풀로 단락 이행(short circuit transfer)하여 3차원 공간에서 연속적으로 자유롭게 적층하는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법으로서,
    상기 용융풀에 작용되는 중력, 아크 압력 또는 상기 금속 재료의 단락 중 적어도 하나에 따른 외력보다 상기 용융풀의 표면 장력을 강하게 유지시키기 위하여 상기 용융풀의 부피를 미리 설정된 부피 이하로 제어하며,
    상기 용융풀의 부피를 제어하는 방법은 상기 금속 재료의 단락 이행을 제어하기 위한 전류 파형을 통해 구현되고, 상기 전류 파형은 상기 금속 재료의 재질 및 상기 전류의 크기에 따라 변경되며,
    상기 전류 파형은 단위 전류 파형을 반복하는 형태로 구성되고,
    상기 단위 전류 파형은, 상기 금속 재료의 단락 이행을 미리 설정된 단락횟수만큼 반복적으로 실시하는 단락 이행 구간; 및 상기 단락 이행 구간이 완료되면 전류의 공급을 차단하여 상기 용융풀을 미리 설정된 응고시간동안 응고시키는 응고 구간;으로 제공되는 것을 특징으로 하는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단락 이행 구간에서는 상기 금속 재료에서 상기 용융풀로 유입되는 부피를 상기 단락횟수로 결정하고,
    상기 응고 구간에서는 상기 용융풀의 응고되는 부피를 상기 응고시간으로 결정하는 것을 특징으로 하는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단락횟수와 상기 응고시간은,
    상기 금속 재료에서 상기 용융풀로 유입되는 부피 및 상기 용융풀의 응고 부피가 서로 동일하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단락횟수와 상기 응고시간은,
    상기 용융풀이 응고되기 이전의 액체 상태에서 상기 금속 재료의 단락 이행을 반복적으로 수행하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법.
  7. 제1항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 아크 플라즈마 기반의 금속 연속 적층 제조방법에 의해 3차원 공간에서 자유 형상으로 연속 적층된 금속 연속 적층물.
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