KR102513393B1 - 와이어 아크 3d 적층법으로 제조한 nab 합금 프로펠러의 제조방법 - Google Patents

와이어 아크 3d 적층법으로 제조한 nab 합금 프로펠러의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프로펠러에 대한 형상 데이터를 획득하는 단계, 상기 형상 데이터를 바탕으로 3D 프린팅 경로를 설정하는 단계, 상기 3D 프린팅 경로를 따라 와이어를 용해하여 비드를 제조하는 단계, 상기 용접 비드를 동일한 간격으로 중첩하여 레이어를 제조하는 단계, 상기 레이어를 소정 간격으로 적층하여 레이어 적층체를 제조하는 단계 및 상기 레이어 적층체의 표면을 기계가공하여 프로펠러를 완성하는 단계를 포함하며,
상기 레이어를 제조하는 단계는 비드가 중첩되는 간격을 제어하여 이론상 레이어 적층체의 높이에 대한 실제 레이어 높이에 대한 정밀도를 95% 이상으로 향상하는 것을 특징으로 하는 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법에 관한 것이다.

Description

와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법{Method for manufacturing Ni-Al-Bronze propeller using wire-arc additive manufacturing process}
본 발명은 와이어 아크 3D 적층법을 이용하여 NAB 합금 프로펠러를 제조하는 방법에 관한 것이다.
선박, 비행기, 발전기 등에 사용되는 프로펠러는 크기가 대형이고, 형상이 복잡하여 많은 기체 저항을 받는 특징이 있다. 이러한 이유로 강도가 높고, 주조에 적합한 NAB 합금(Ni-Al-Bronze)소재가 보편적으로 사용된다.
하지만 통상의 주조 방법은 목형 제작, 주조, 가공, 열처리 및 후처리 공정에 의해 수행되는데 제작 과정이 길고 제조 과정에서 프로펠러의 형상을 수정 보완하는 것이 사실상 불가능하여 손실이 많이 발생한다는 문제가 있다.
이를 개선하기 위해 3D 프린팅 기술을 결합하여 NAB 합금 프로펠러를 만드는 연구가 진행되고 있다. 예를 들어 대한민국 등록특허 제10-2232387호 에서는 심주조법에 의해 형성된 프로펠러 허브에 와이어를 이용한 3D 적층법을 이용하여 프로펠러의 블레이드를 일체로 형성하는 방법이 개시되고 있으며, 대한민국 공개특허 제10-2019-0109620호 에서는 3D 프린터를 이용하여 유체 유도 레일을 포함하는 프로펠러를 제조하는 방법을 개시하고 있다.
하지만 상기의 방법들은 제조 방법을 제공할 뿐 형상 정밀도를 최적화 하기 위한 조건이 누락되어 통상의 기술자가 실제 3D 프린터를 이용하여 프로펠러를 설계를 변경 적용하는데 어려움이 있다.
한편, 통상적인 3D 프린팅 기법은 레이저 또는 전자빔을 열원으로 이용하여 분말 형태의 모재를 녹이는 특징이 있는데, 상기의 방법은 고비용의 레이저와 금속 분말이 요구되며, 장치 설비 비용 대비 생산성이 낮다는 단점이 있다.
이러한 이유로, 상대적으로 장치 비용이 저렴하고 생산성이 우수한 아크(Arc)를 열원으로 사용하는 동시에, 형상 정밀도를 향상하여 정밀한 NAB 프로펠러를 제조할 수 있는 기법이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-2232387호 (2021.03.22.) 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0109620호 (2019.09.26.)
본 발명은 고비용의 레이저와 금속 분말을 사용하지 않고 아크(Arc)를 열원으로 NAB 합금 프로펠러를 제조할 수 있는 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법을 제공한다.
더 바람직하게는 둘 이상의 용접 비드를 일정 간격으로 오버랩하여, 상기 레이어 적층체의 치수 정밀성을 향상하는 방법을 제공하는 것을 특징으로 하는 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법을 제공한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 프로펠러에 대한 형상 데이터를 획득하는 단계, 상기 형상 데이터를 바탕으로 3D 프린팅 경로를 설정하는 단계, 상기 3D 프린팅 경로를 따라 와이어를 용해하여 비드를 제조하는 단계, 상기 용접 비드를 동일한 간격으로 중첩하여 레이어를 제조하는 단계, 상기 레이어를 소정 간격으로 적층하여 레이어 적층체를 제조하는 단계 및 상기 레이어 적층체의 표면을 기계가공하여 프로펠러를 완성하는 단계를 포함하며, 상기 레이어를 제조하는 단계는 비드가 중첩되는 간격을 제어하는. 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 실시 예에 있어서. 상기 레이어를 형성하는 단계에서, 상기 동일한 레이어에서 선택되는 어느 하나의 비드와, 상기 비드와 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리가 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
0.65w ≤ d ≤0.75w
(상기 관계식 1에서 w는 단일 비드의 폭을 의미하며, d는 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 의미한다)
상기 실시 예에 있어서. 상기 비드를 제조하는 단계에서,
상기 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리는 10 내지 30 ㎜일 수 있다.
상기 실시 예에 있어서. 상기 3D 프린팅 경로를 설정하는 단계에서, 동일한 위치에 적층되는 레이어에서 선택되는 어느 하나의 레이어를 제1 레이어, 상기 제1 레이어의 상층 또는 하층에 인접하여 적층된 레이어를 제2 레이어로 정의할 때, 상기 제1 레이어의 시작 지점과 상기 제2 레이어의 종료 지점이 교차하여 지그재그(Zig-Zag)로 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법은 아크(Arc)를 열원으로 NAB 합금 프로펠러를 제조함으로써, 금형의 제작 비용을 절감하며 생산성을 확보할 수 있다.
특히, 동일한 레이어에서 선택되는 어느 하나의 비드와, 상기 비드와 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리를 단일 비드의 폭 대비 65내지 75%, 콘텍터 팁과 모재사이의 거리(Contact tip-to-work distance)를 10 내지 30㎜ 로 제한하여 레이어 적층체의 변형을 방지하고 생산성을 크게 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 상기 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리(CTWD)를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이어의 적층방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 레이어의 적층방법을 비교하기 위한 사진이다
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 모재 위에 형성된 단일 비드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 레이어를 설명하기 위한 도면이다.
도 7는 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층체를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9은 본 발명의 실시 예에 따른 단일 비드를 촬여한 사진이다.
도 10은 본 발명의 비교예 3에 따라 제조된 레이어를 촬영한 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 레이어를 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 레이어를 촬영한 사진이다.
도 13은 본 발 명의 비교예 11에 따라 제조된 레이어 적층체를 촬영한 사진이다.
도 14는 본 발명의 비교예 13에 따라 제조된 레이어 적층체를 촬영한 사진이다.
이하 본 발명에 따른 와이어 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예는 와이어 아크 3D 적층법(Wire arc additive manufacturing; WAAM)으로 NAB 합금 프로펠러를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 NAB 합금은 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 브론즈(Bronze)가 혼합된 합금을 의미하며, 통상의 동합금에 비해 강도가 우수하고, 우수한 내식성이 높다는 장점이 있기 때문에 대형선박 및 해양 플랜트의 프로펠러, 펌프, 밸브 소재로 이용되는 합금이다. 상기 NAB합금은 7 내지 11중량%의 알루미늄(Al), 2 내지 7중량%의 니켈(Ni), 1중량% 이하(0% 제외)의 아연(Zn), 5 중량% 이하(0% 제외)의 철(Fe), 5중량% 이하(0% 제외)의 망간(Mn) 및 잔부의 구리(Cu)로 이루어진 Cu3 NAB 합금으로 제공될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에서 와이어 아크 3D 적층법(Wire arc additive manufacturing; WAAM)은 아크(Arc) 열원을 이용하여 솔리드 와이어를 녹여 레이어를 생성하고, 생성된 레이어를 적층하여 3D 프린팅 제품을 제조하는 방법이다.
통상적인 3D 프린팅은 레이저 또는 전자빔을 열원으로 이용하여 분말 형태의 모재를 녹이는 분말적층용융(Powder Bed Fusion; PBF) 방식, 분말을 직접 공급하면서 레이저를 이용하여 용융 적층하는 PFS(Powder Feeding System) 방식 또는 와이어 모재를 공급하면서 레이저로 모재를 용융하는 WLAM(wire and laser additive manufacturing) 방식등이 사용된다. 상술한 방법은 고가의 금속분말이 요구되고, 적층 속도(Travel Speed)가 낮다는 단점이 있다.
이를 개선하기 위해 본 발명은 GMAW(Gas Metallic Arc Welding)법이나 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)법 등의 기존 용접법과 3D 금속 프린팅 기술을 접목하여 고가의 금속분말을 아크로 용융하여 3D 프린팅을 수행할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 생산비를 크게 절감하고, 생산 속도를 향상하여 3D 프린팅 제품을 제조할 수 있다. 이러한 장점으로 인해 중소 중견기업에서 다품종 소량생산으로 제품을 제조하거나, 연구소 등에서 연구 개발 용도로 시제품을 생산하기 적합하다.
본 발명에서 용접 비드(Welding bead)는 상기 NAB 합금으로 제공되는 솔리드 와이어를 아크 열원으로 용해하여 형성한 단일 패스(Weld pass)의 용접물을 의미하며, 본 발명에서 레이어는 동일한 평면에 둘 이상의 비드를 일정 간격으로 오버랩(Overlap)하여 형성한 하나의 층을 의미한다. 실시 예에 따르면, 상기 레이어는 10개의 비드가 오버랩(Overlap) 되어 형성한 층을 의미할 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 10개 이하로 제공될 수 있음은 자명하다.
본 발명에서 레이어 적층체는 상기 레이어를 동일한 평면에 소정 간격으로 적층하여 형성한 구조물을 의미한다.
실시 예에 따르면, 본 발명은 3D CAD/CAM 등의 소프트웨어를 사용하여 제조하고자 하는 NAB 합금 프로펠러의 형상 데이터를 획득할 수 있으며, 상기 형상 데이터를 기반으로 3D 프린팅 경로를 설정하여 레이어를 제조 및 적층할 수 있다.
실시 예에 따르면, 본 발명은 상기 3D 프린팅 경로를 설정하는 단계에서 동일한 위치에 적층되는 레이어에서 선택되는 어느 하나의 레이어와 상기 레이어에 인접하여 적층된 레이어의 시작 지점과 종료 지점을 서로 교차하여 적층할 수 있다.
예를 들어, 동일한 위치에 적층되는 레이어에서 선택되는 어느 하나의 레이어를 제1 레이어, 상기 제1 레이어의 상층 또는 하층에 인접하여 적층된 레이어를 제2 레이어로 정의할 때, 상기 제1 레이어의 시작 지점과 상기 제2 레이어의 종료 지점이 교차하여 적층할 수 있다. 이하, 상술한 적층 방법을 지그재그(Zig-Zag) 방식으로 정의한다.
즉 본 발명은 상기 레이어가 지그재그 방식으로 적층될 수 있도록 3D 프린팅 경로를 설정할 수 있으며, 이를 통해 상기 레이어 적층체의 구조적 안정성을 향상할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 특징에 따르면, 본 발명은 상기 레이어의 적층 과정에서 상기 레이어 적층체의 온도를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 적층 과정에서 상기 레이어 적층체의 온도가 200℃를 초과하면 상기 레이어의 적층을 일시적으로 정지시키고, 상기 레이어의 온도를 200℃ 이하로 냉각할 수 있다. 상기 레이저 적층체의 온도를 측정하는 방법 및 냉각하는 구체적인 방법에 대해서는 후술하도록 한다.
이를 통해, 상기 레이어 적층체의 흘러내림 현상을 방지하고, 변형을 최소화하여 형상의 정밀도를 향상할 수 있다.
이상 본 발명의 실시 예에 따른 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법에 대해 간략하게 설명하였다. 이하 도 1 내지 도6을 이용하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 상기 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리(CTWD)를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이어의 적층방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 레이어의 적층방법을 비교하기 위한 사진이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 모재 위에 형성된 단일 비드를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 레이어를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층체를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상기 와이어 아크 3D 적층법(WAAM)으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법(1000)은 프로펠러에 대한 형상 데이터를 획득하는 단계, 상기 형상 데이터를 바탕으로 3D 프린팅 경로를 설정하는 단계, 상기 3D 프린팅 경로를 따라 와이어를 용해하여 비드를 제조하는 단계, 상기 용접 비드를 동일한 간격으로 중첩하여 레이어를 제조하는 단계, 상기 레이어를 소정 간격으로 적층하여 레이어 적층체를 제조하는 단계 및 상기 레이어 적층체의 표면을 기계가공하여 프로펠러를 완성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 a) 프로펠러에 대한 형상 데이터를 획득하는 단계는 3D CAD/CAM 등의 소프트웨어를 사용하여 제조하고자 하는 프로펠러에 대한 형상 데이터를 획득하는 단계이다. 상기 형상 데이터는 CAD/CAM 등의 소프트웨어를 사용하여 직접 프로펠러의 형상을 설계하여 획득할 수 있으며, 기존에 제조된 프로펠러의 형상을 분석하고 이를 역설계 하여 획득할 수 있다.
상기 b) 3D 프린팅 경로를 설정하는 단계는 상기 a) 단계에서 획득한 형상 데이터를 바탕으로 3D 프린팅 장비의 공구가 지나가는 경로를 설정하는 단계이다.
실시 예에 따르면, 상기 b) 단계는 상기 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리, 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리 및 및 레이어 높이를 고려하여 최적화된 경로를 도출할 수 있으며, 이외에 와이어 공급 각도, 입열량(Heat input), 가압전류, 용접부 온도 등을 추가적으로 더 고려하여 최적화된 경로를 도출할 수 있다.
본 발명에서 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리란 후술할 레이어를 형성할 때, 용접 비드가 형성되는 면과 와이어 단부 까지의 수직 거리를 의미한다.
구체적으로 도 2를 참조하면, 레이어 위에 용접 비드를 적층하는 경우, 상기 용접면과 와이어 단부 사이의 거리는 비드가 형성되는 레이어의 일 면과 와이어 단부 사이의 수직 거리를 의미할 수 있다.
이하 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리를 CTWD(Contact tip to work distance)로 명명할 수 있다.
도면에는 개시되지 않았으나, 상기 비드가 모재에 형성될 경우 상기 CTWD는 모재(Substrate)에서 와이어 단부까지의 거리로 정의될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 b) 단계는 후술할 d) 단계에서 안정된 레이어를 형성할 수 있도록, 상기 CTWD가 10 내지 30㎜가 되도록 3D 프린팅 경로를 설정할 수 있다.
상기 CTWD가 10㎜ 미만이면, 상기 솔리드 와이어에 지나치게 높은 열이 주입되어 상기 레이어 내에 기공이 형성될 수 있으며, 열변형이 발생하여 수치 정밀도가 감소할 수 있다.
반면에 상기 CTWD가 30㎜를 초과하면 열효율이 감소하여 솔리드 와이어가 용해되는데 시간이 지나치게 소모되고, 상대적으로 용접 비드 생성 시 요구되는 전류가 크게 증가함에 따라 입열량이 일정하지 못하여 높이의 편차가 발생할 수 있다.
이러한 이유로 상기 CTWD는 10 내지 30㎜가 되도록 경로를 설정하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 13 내지 20㎜로 제한 될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 b) 단계는 동일한 위치에서 레이어를 적층할 때, 상기 레이어가 지그재그(Zig-Zag) 방식으로 적층될 수 있도록 3D 프린팅 경로를 설정할 수 있다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, 레이어를 적층할 때, 도 3의 (a)와 같이 어느 하나의 레이어의시작 지점과 근접한 다른 레이어의 시작 지점이 일치하여 적층될 수 있다. 또는 도 3의 (b)와 같이 어느 하나의 레이어의 시작 지점과 근접한 다른 레이어의 종료 지점이 교차하여 적층될 수 있다. 이하, 상기 도 3의 (a)와 같이 레이어의 공구 시작 지점이 동일한 적층 방법을 한 방향 적층법, 상기 도 3의 (b)와 같이 레이어의 시작 지점과 상기 레이어와 인접한 레이어의 종료 지점이 교차하는 적층법을 지그재그(Zig-Zag) 적층법으로 정의한다.
실시 예에 따르면, 상기 한 방향 적층법으로 레이어를 적층하는 경우, 상대적으로 용착량이 높은 시작 지점(a, b)이 일 방향에 집중되고, 상대적으로 용착량이 낮은 종료 지점(a`, b`)이 일 방향에 집중될 수 있다. 아울러, 상기 레이어가 적층될수록, 시작 지점과 종료 지점에 용착량이 차이가 누적되어 동일한 레이어임에도 불구하고 높이 차이가 발생할 수 있다. 이는 상기 레이어 적층체의 변형 및 붕괴에 원인이 된다.
반면에 상기 지그재그(Zig-Zag) 적층법으로 레이어를 적층하는 경우, 상대적으로 용착량이 높은 레이어의 층의 시작 지점(a, b)과 상대적으로 용착량이 낮은 레이어의 공구 종료 지점(a`, b`)이 서로 교차하여 적층될 수 있다. 이는 상기 레이어가 적층되어도 시작 지점과 종료 지점이 교번되어 레이어의 용착량이 고르게 분포할 수 있다.
즉 본 발명은 레이어를 적층할 때의 3D 프린팅 경로를 한방향 적층법이 아닌 지그재그 적층법에 따라 3D 프린팅 경로를 설정함으로써, 레이어 적층체의 변형 및 붕괴를 방지할 수 있다. 아울러, 이를 통해 NAB 합금 프로펠러의 치수 정밀성을 향상할 수 있다.
실제 도 4를 참조하면, 상기 한방향 적층법(도 4의 (a)으로 적층하였을 때는 레이어 시작 지점과 종료 지점 사이에 높이 차이가 발생하였으나, 지그재그(Zig-Zag) 적층법(도 4의 (b))으로 레이어를 적층하면 레이어의 용착량이 고르게 분포하는 것을 확인하였다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 c) 3D 프린팅 경로를 따라 와이어를 용해하여 비드를 제조하는 단계는 아크를 열원으로 상기 와이어를 용융하여 비드를 제조하는 단계이다.
상기 와이어는 솔리드 타입의 솔리드 와이어(Solid wire)로 제공될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 7 내지 11중량%의 알루미늄(Al), 2 내지 7중량%의 니켈(Ni), 1중량% 이하(0% 제외)의 아연(Zn), 5 중량% 이하(0% 제외)의 철(Fe), 5중량% 이하(0% 제외)의 망간(Mn) 및 잔부의 구리(Cu)로 이루어진 솔리드 와이어(Solid wire)로 제공될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 c) 단계는 200 내지 300A 의 전류와 15 내지 25V의 전압을 통해 아크를 생성할 수 있으며, 이 때의 입열량은 700 내지 900J/mm 일 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명은 아크를 열원으로 NAB 합금으로 제공되는 솔리드 와이어를 용해하여 모재(Substrate)위에 단일 비드를 형성할 수 있다. 이 때, 단일 비드의 중심을 기준으로 좌우측의 길이(w)를 단일 비드의 폭, 단일 비드의 최고점에서 모재까지의 거리(h)를 단일 비드의 높이로 정의할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 d) 용접 비드를 동일한 간격으로 중첩하여 레이어를 제조하는 단계는 상기 b) 단계를 통해 정의된 3D 프린팅 경로에 따라 실제 모재에 레이어를 제조하는 단계이다.
도 6을 참조하면, 동일한 모재에 둘 이상의 상기 비드를 소정 간격으로 오버랩(Overlab)하여 하나의 레이어를 형성할 수 있다. 통상적으로 상기 레이어는 동일한 평면상에 10개의 비드가 동일한 간격으로 오버랩 하여 형성된 구조물을 의미하지만 이에 한정되지 않으며, 10개 이상 또는 이하의 비드를 오버랩 하여 형성할 수 있음은 당연하다.
실시 예에 따르면 상기 동일한 레이어에서 선택되는 어느 하나의 비드와, 상기 비드와 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리가 동일한 간격으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 비드가 서로 동일한 간격으로 형성되지 않으면 상기 레이어가 적층될 때 동일한 힘으로 레이어를 지지할 수 없으며, 일부 비드 사이 공간으로 레이어가 침몰되어 형상에 변화가 발생할 수 있다.
또한, 상기 동일한 레이어에서 선택되는 어느 하나의 비드와, 상기 비드와 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리는 적정 수준으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 비드 중심간 거리가 지나치게 조대하면 오버랩되는 면적이 감소하여 상기 레이어 적층체를 지지할 지지력이 부족할 수 있으며, 반대로 상기 비드 중심간 거리가 지나치게 조밀하면, 비드 사이에 간섭이 발생하여 스패터가 증가될 수 있다. 또한, 아크 열이 좁은 공간에 지나치게 집중되어 레이어 적층 과정에서 모재 또는 레이어 적층체에 열변형이 발생될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 동일한 레이어에서 선택되는 어느 하나의 비드와, 상기 비드와 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리가 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
0.65w ≤ d ≤0.75w
(상기 관계식 1에서 w는 단일 비드의 폭을 의미하며, d는 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 의미한다)
즉, 상기 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)는 단일 비드 폭(w)을 기준으로 결정될 수 있는데, 바람직하게는 상기 단일 비드 폭(w)의 65 내지 75%인 것이 바람직하다.
상기 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)가 0.65w 미만이면, 상기 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리가 지나치게 좁아 상기 레이어가 온전한 형태의 비드를 형성하지 못하고 일부의 비드가 스패터되어 손실될 수 있다. 또한 상기 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)가 좁아지면 좁아질수록 스패터 되는 양이 증가할 수 있으며, 이로 인하여 동일한 레이어에서 높이 편차가 증가할 수 있다.
아울러 상기 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)가 0.65w 미만이면, 모재 또는 레이어 적층체에 열변형이 발생하여 치수 정밀도가 감소될 수 있다.
반면에 상기 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)가 0.75w를 초과하면 비드 사이 간격이 지나치게 벌어져 일부 구간에 기공이 발생하거나 응력이 감소될 수 있다. 이 경우 기공 또는 응력이 약한 곳으로 응력집중이 일어나서 변형, 파괴의 원인이 된다.
이러한 이유로, 상기 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)는 상기 단일 비드 폭(w)을 기준으로 65 내지 75%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 67 내지 71%로 형성될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 c) 단계에서 상기 용접 와이어는 솔리드 와이어(Solid wire)로 제공될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 NAB 합금으로 제공되는 솔리드 와이어(Solid wire)로 제공될 수 있다.
만약 상기 용접 와이어가 플럭스 코어드 와이어(Flux cored wire)로 제공된다면, 레이어 내부에 플럭스(Flux)가 잔류하여 기공이 형성될 수 있다. 이는 레이어의 결합의 원인이 되며, 안정성을 감소시킬 수 있다. 실제로 플럭스 코어드 와이어(Flux cored wire)로 레이어를 형성한 결과 기공이 형성되었음을 확인하였다.
또한, 레이어의 송급속도(wire feeding rate)가 빨라짐에 따라 과도한 스패터가 발생하는 경우도 확인하였다. 상기 기공과 스패터 등은 상기 레이어를 다층으로 적층하는 경우 응력 집중 및 크랙(Crack)을 유발하여 파단과 변형의 원인이 된다.
반면에, 솔리드 와이어(Solid wire)를 사용하는 경우, 레이어 내부에 기공이 형성되지 않으며, 송급 속도를 소정 범위로 가변하여도 스패터가 과량으로 발생하지 않음을 확인하였다.
이를 근거로, 본 발명은 상기 레이어를 솔리드 와이어(Solid wire)를 용해하여 형성함으로써, 내구성과 형태의 안정성을 향상하였다.
또한 실시 예에 따르면, 상기 c) 단계는 상기 솔리드 와이어(Solid wire)를 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(Cold Metal Transfer Welding; CMT)으로 용해하여 상기 레이어를 제조할 수 있다.
통상적으로 상기 솔리드 와이어(Solid wire)를 용해하는 방법으로는 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(CMT), 펄스 아크 용접법(Pulse arc process) 및 상기 두가지 용접법을 특정 주기료 교차하는 CMT-P 용접법을 적용할 수 있다.
이 중, 펄스 아크 용접법(Pulse arc process)과 CMT-P 용접법은 용접 과정에서 스패터가 더 많이 발생하여 용착되는 금속의 양이 감소하는 것을 확인하였다. 이는 동일한 면적의 레이어를 위해서는 상대적으로 더 많은 패스가 요구되기 때문에 생산성이 감소될 수 있으며, 레이어의 형성 과정에서 다량의 스패터가 발생하여 불량의 원인이 될 수 있다.
반면에 상기 레이어를 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(CMT)으로 레이어를 형성하는 경우, 동일한 입열량을 기준으로 스패터 발생량이 현저히 감소하여 레이어의 폭과 높이가 증가되는 것을 확인하였다.
이를 근거로, 본 발명은 상기 솔리드 와이어(Solid wire)를 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(CMT)으로 용해하여 상기 레이어를 제조함으로써, 상기 레이어 또는 레이어 적층체의 구조적 안정성을 향상할 수 있다. 또한 본 발명은 상기 솔리드 와이어를 5 내지 20m/min으로 공급하여 안정적으로 레이어를 제조할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 c) 단계는 순도 99.9% 이상의 아르곤(Ar) 분위기에서 수행될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 레이어를 소정 간격으로 적층하여 레이어 적층체를 제조하는 단계(d)는 상기 c) 단계를 통해 제조된 레이어 위에 또 다른 레이어를 적층하여 레이어 적층체를 제조하는 단계이다.
도 7을 참조하면, 상기 c) 단계에서 상기 기판(substrate)위에 레이어를 제조한 후, 상기 레이어 위에 또 다른 레이어를 적층할 수 있으며, 상기 적층 과정을 소정 범위 반복하여 레이어 적층체를 제조할 수 있다. 프리폼을 제조할 수 있다.
실시 예에 따르면, 동일한 레이어 적층체에서 상기 레이어의 높이 간격(l)은 하기 관계식 2를 만족할 수 있다.
[관계식 2]
0.8h ≤ l ≤ h
(상기 관계식 2에서 h는 단일 비드의 높이를 의미하며, l는 레이어의 높이 간격을 의미한다)
즉, 상기 레이어의 높이 간격(l)은 단일 비드의 높이(h)에 의해 결정될 수 있는데, 바람직하게는 상기 단일 비드의 높이(h)의 80%이상, 100%이하인 것이 바람직하다.
상기 레이어의 높이 간격(l)이 상기 단일 비드의 높이(h)의 80%미만이면, 상기 레이어 위에 또 다른 레이어를 적층할 때, 아크열로 인하여 아랫층에 위치한 상기 레이어가 변형될 수 있다. 또한, 상기 레이어의 높이 간격(l)이 상기 단일 비드의 높이(h)의 80%미만이면 동일한 높이의 레이어 적층체를 형성하기 위해 요구되는 레이어가 상대적으로 증가될 수 있다. 이는 3D 프린팅을 위한 공구의 이동 경로가 증가하여 생산성이 감소할 수 있다.
반면에, 상기 레이어의 높이 간격(l)이 상기 단일 비드의 높이(h)의 100%를 초과하면, 적층된 레이어 사이에 결합력이 감소하여 상기 레이어 적층체가 쉽게 변형 또는 파괴될 수 있다.
이러한 이유로, 상기 레이어의 높이 간격(l)은 상기 단일 비드의 높이(h)를 기준으로 80 내지 100%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 87 내지 93%로 형성될 수 있다.
마지막으로 도 1을 참조하면, 상기 레이어 적층체의 표면을 기계가공하여 프로펠러를 완성하는 단계(S900)을 수행하여 상기 NAB 합금 프로펠러를 제조할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 S900 단계에서는 통상적인 밀링, 선반, 드릴과 같은 절삭공구를 사용할 수 있으며, 상기 절삭공구를 이용하여 상기 레이어 적층체를 황삭 및 연삭 가공하여 프로펠러 모양으로 가공할 수 있다. 본 명세서에서는 상기 기계가공 방법으로 밀링을 사용하였으나 이에 한정되지 않으며, 공개된 어떠한 기계가공 기법을 사용할 수 있음은 자명하다.
실시 예에 따르면, 상기 기계가공 이 후, 상기 레이어 적층체에 방전가공을 수행할 수 있다. 이를 통해, 상기 NAB 합금 프로펠러의 표면을 더욱 치밀하게 가공할 수 있다.
상술한 방법을 통해 본 발명은 레이어 적층체의 정밀도를 95% 이상으로 향상할 수 있다. 이 때, 레이어 적층체의 정밀도는 이론상 레이어 적층체의 높이에 대한 실제 레이어 적층체의 높이를 의미한다.
즉 본 발명은 상기 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 하기 관계식 1을 만족하도록 제어하고, 이 상태에서 상기 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리는 10 내지 30 ㎜로 제어하여 레이어 적층체의 정밀도를 95% 이상으로 향상할 수 있다.
[관계식 1]
0.65w ≤ d ≤0.75w
(상기 관계식 1에서 w는 단일 비드의 폭을 의미하며, d는 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 의미한다)
또한, 본 발명은 200 내지 300A 의 전류와 15 내지 25V의 전압, 20 내지 50cm/min의 용접속도, 700 내지 900 J/mm의 입열량 및 20 내지 50cm/min의 적층 속도(Travel speed)를 유지하면서, 상기 레이어 적층체의 정밀도를 95% 이상으로 향상할 수 있다.
이상 본 발명의 제1 실시 예에 따른 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법에 대해 설명하였다. 이하 도 8을 통해 본 발명의 제2 실시 예에 따른 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법에서 상기 레이어를 적층하여 레이어 적층체를 제조하는 단계(d)는 레이어를 적층하는 단계(S710), 상기 레이어의 온도를 측정하는 단계(S730), 상기 레이어의 온도가 200℃ 이상인 경우, 상기 레이어를 적층하는 단계를 일시적으로 정지시키고, 상기 레이어의 온도를 200℃ 미만으로 냉각하는 단계(S750) 및 레이어 적층체를 제조하는 단계(S770)를 더 포함할 수 있다.
상기 레이어를 적층하는 단계(S710) 및 레이어 적층체를 제조하는 단계(S770)는 상술한 레이어를 적층하여 레이어 적층체를 제조하는 단계(d)와 대응하므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 레이어의 온도를 측정하는 단계(S730)는 온도 측정 장치를 이용하여 레이어 또는 레이어 적층체의 온도를 측정하는 단계이다.
본 명세서에서 상기 온도 측정 장치는 적외선 센서(infrared sensor) 등 공지된 측정 장치 및 측정 방법을 의미하며, 비접촉식 측정 장치 및 측정 방법을 의미할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이 후, 상기 S730 단계를 통해 측정한 온도가 200℃ 이상이면, 상기 레이어층을 적층하는 단계(S710)를 일시적으로 정지할 수 있다. 동시에 냉각 장치를 가동하여 상기 레이어의 온도를 200℃ 미만으로 냉각시킬 수 있다.(S750)
본 발명에서 상기 200℃는 NAB 솔리드 와이어를 용해하여 형성한 레이어의 변형온도를 의미하며, 상기 레이어가 고온으로 인한 변형, 흘러내림 등이 발생할 수 있는 온도를 의미한다.
이 때 상기 냉각 장치로는 저온의 공기, 또는 불활성 가스 등의 냉각가스를 상기 레이어에 분사 할 수 있는 컴프레셔를 의미하나 이에 한정되지 않으며, 공지된 접촉 비접촉 냉각 장치라면 어떠한 장치를 적용할 수 있다.
즉 본 발명은 상술한 제2 실시 예를 통해, 상기 레이어의 온도를 실시간으로 모니터링 하고, 상기 레이어의 온도가 200℃를 초과하면 별도의 냉각 장치를 가동하여 상기 레이어의 온도를 200℃ 이하로 유지시킬 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 고온으로 인한 레이어의 열변형, 흘러내림이 발생하는 것을 방지하고, 형상의 정밀도를 향상할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 공정 변수에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
가. 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리에 따른 레이어의 형상 비교.
[제조예]
본 발명은 아크 열원을 발생하기 위하여 통상의 Gas Metal Arc Welding(GMAW)용접 시스템과 6축 로봇을 조합하여 3D 프린팅 장치를 구축하였다. 구체적으로, Fronius 社의 Gas Metal Arc Welding(GMAW)용접 시스템에 KUKA 社에서 개발한 6축 로봇을 결합하였다.
이 후, NAB 소재의 기판(Substrate) 위에 직경 1.2㎜를 갖는 CuAlNi2 조성의 솔리드 와이어(Solid wire)를 준비하였다.
이 후, 상술한 장비를 통해 순도 99.9% 이상의 아르곤(Ar) 분위기에서 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(CMT)으로 용접 비드를 생성하였다. 용접 비드의 구체적인 조건을 하기 표 1과 같다. 그 결과 도 9와 같이 폭이 9.53 ㎜, 높이가 3.84 ㎜인 용접 비드를 형성하였다.
전류 전압 보호가스 입열량 와이어
공급각도		 적층 속도
(Travel Speed)
제조예 198A 20.3V Ar 803.38 J 90 30㎝/min
[실시예 1]
상기 제조예 1과 동일한 조건으로 모재에 서로 평행한 방향으로 10개의 용접 비드를 오버랩하여 레이어를 제조하였다.
이 때, 상기 레이어에서 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 6.5 ㎜로 동일하게 설정하였다.
[실시예 2]
상기 레이어에서 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 6.3㎜로 동일하게 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 3]
상기 레이어에서 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 6.7 ㎜로 동일하게 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 4]
상기 레이어에서 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 6.9 ㎜로 동일하게 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 5]
상기 레이어에서 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 7.1 ㎜로 동일하게 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 1]
상기 레이어에서 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 6.1 ㎜로 동일하게 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 2]
상기 레이어에서 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 5.9 ㎜로 동일하게 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 3]
상기 레이어에서 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 7.3 ㎜로 동일하게 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 4]
상기 레이어에서 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 7.5 ㎜로 동일하게 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4를 하기 표 2에 정리한다. 하기 표 2에서 단일 비드의 폭(w)과 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)의 단위는 ㎜이며, 단일 비드의 폭 대비 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리의 비율(d/w)의 단위는 %이다.
단일 비드의 폭(w) 비드 중심간 거리(d) d/w
실시예 1 9.53 ㎜ 6.5 ㎜ 68.2 %
실시예 2 6.3 ㎜ 66.1 %
실시예 3 6.7 ㎜ 70.3 %
실시예 4 6.9 ㎜ 72.4 %
실시예 5 7.1 ㎜ 74.5 %
비교예 1 6.1 ㎜ 64.0 %
비교예 2 5.9 ㎜ 61.9 %
비교예 3 7.3 ㎜ 76.6 %
비교예 4 7.5 ㎜ 78.7 %
상기 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)가 6.3 내지 7.1 ㎜ 다시 말해, 상기 단일 비드의 폭(w)의 길이의 65 내지 75 %에서 비드가 형성되면 스패터가 발생하지 않았으며, 구조적으로도 안정된 레이어를 형성할 수 있음을 확인하였다.
구체적으로 실시예 1 내지 5에 따라 제조된 와이어 층은, 제조 과정에서 스패터가 발생하지 않았으며, 상기 용접 비드들이 오버랩(Overlap)된 정도가 동일하여 안정된 형상의 레이어를 제조할 수 있었다.
반면에 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)가 단일 비드의 폭(w) 대비 65% 미만인 비교예 1 및 비교예 2은 제조 과정에서 다량의 스패터가 발생하여 다수의 손실이 발생하였으며, 레이어의 폭과 레이어를 이루는 각 용접 비드의 높이 차이도 크게 발생한 것을 확인할 수 있다.
이는, 상기 비드 중심간 거리(d)가 지나치게 좁아 각 비드를 형성하는 과정에서 간섭이 발생하고, 아크열로 인하여 열변형이 발생되었기 때문이다.
서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)가 단일 비드의 폭(w) 대비 75%를 초과하는 비교예 3 및 비교예 4는 상기 비교예 1 및 2와는 다르게 스패터는 발생하지 않았으나, 비드 중심간 거리가 지나치게 넓어져 비드 사이 공간으로 비드가 함몰되는 굴곡면이 형성될 수 있다.
구체적으로 도 10을 참조하면, 실제 비교예 3에 따라 제조한 레이어는 비드 사이에 응력이 불균일하여 변형, 파괴가 발생하였으며, 에리어의 높이 또한 불균일 한 것을 확인할 수 있다.
상술한 실험을 근거로, 본 발명은 예를 들어, 본 발명은 200 내지 300A 의 전류와 15 내지 25V의 전압, 700 내지 900 J/mm의 입열량, 20 내지 50cm/min의 용접속도 및 20 내지 50cm/min의 적층 속도(Travel speed)를 갖는 조건에서 레이어를 제조할 수 있으며, 이 때 상기 레이어에서 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)는 하기 관계식 1을 만족하는 범위에서 선택될 수 있다.
[관계식 1]
0.65w ≤ d ≤0.75w
(상기 관계식 1에서 w는 단일 비드의 폭을 의미하며, d는 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 의미한다)
다시 말해, 200 내지 300A 의 전류와 15 내지 25V의 전압, 700 내지 900 J/mm의 입열량, 20 내지 50cm/min의 용접속도 및 20 내지 50cm/min의 적층 속도(Travel speed)로 레이어를 제조하였을 때, 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리(d)는 단일 비드의 폭(w)의 65 내지 75%로 제공될 수 있다.
나. 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리(CTWD)에 따른 레이어 적층체의 형상 비교.
상술한 실험을 근거로, 상기 비드 중심간 거리(d)를 6.3 내지 7.1 ㎜로 고정한 후, 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리(CTWD)를 최적화 하기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다.
[실시예 11]
상기 제조예 1과 동일한 조건으로 모재에 서로 평행한 방향으로 10개의 용접 비드를 오버랩하여 레이어를 제조하였다. 이 후, 상기 레이어를 5층으로 적층하여 레이어 적층체를 제조하였다.
이 과정에서 CTWD는 15㎜로 설정하였다.
[실시예 12]
상기 CTWD를 11㎜로 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 11과 동일하게 수행하였다.
[실시예 13]
상기 CTWD를 20㎜로 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 11과 동일하게 수행하였다.
[실시예 14]
상기 CTWD를 25㎜로 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 11과 동일하게 수행하였다.
[실시예 15]
상기 CTWD를 30㎜로 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 11과 동일하게 수행하였다.
[비교예 11]
상기 CTWD를 8㎜로 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 11과 동일하게 수행하였다.
[비교예 12]
상기 CTWD를 6㎜로 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 11과 동일하게 수행하였다.
[비교예 13]
상기 CTWD를 33㎜로 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 11과 동일하게 수행하였다.
[비교예 14]
상기 CTWD를 35㎜로 설정한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 11과 동일하게 수행하였다.
상기 실시예 11 내지 15 및 비교예 11 내지 14를 하기 표 3에 정리한다. 하기 표 3에서 CTWD의 단위는 ㎜이고, 정밀도의 단위는 이 때, 상기 정밀도는 (실제 레이어 층의 높이 / 이론상 레이어 층의 높이 x 100)으로 계산할 수 있다.
CTWD 스패터 발생 정밀도 (%)
실시예 11 15 X 98.76
실시예 12 11 X 95.35
실시예 13 20 X 98.46
실시예 14 25 X 98.24
실시예 15 30 X 95.13
비교예 11 8 O 82.17
비교예 12 6 O 78.29
비교예 13 33 X 89.08
비교예 14 35 X 87.02
상기 표 3 및 참조하면, 상기 CTWD가 15 내지 30㎜으로 제조된 실시예 11 내지 15는 상기 레이어의 적층 과정에서 스패터가 발생하지 않고, 레이어 적층체의 높이도 적정 수준으로 유지된 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예 11에 따라 제조된 레이어 적층체를 촬영한 사진이고, 도 12는 본 발명의 실시예 12에 따라 제조된 레이어 적층체를 촬영한 사진이고, 도 13은 본 발 명의 비교예 11에 따라 제조된 레이어 적층체를 촬영한 사진이고, 도 14는 본 발명의 비교예 13에 따라 제조된 레이어 적층체를 촬영한 사진이다.
상기 실시예 11을 촬영한 도 11과 상기 실시예 12를 촬영한 도 12를 참조하면, 상기 실시예 11 및 실시예 12에 따라 제조한 레이어 적층체는 이론상의 높이와, 실제 높이의 정확도가 95% 이상으로 매우 높은 형상 정밀도를 가지고 있음을 확인하였다. 실제로, 레이어 상기 실시예 11과 실시예 12로 제조한 적층체의 시작 부분의 높이와 끝 부분의 높이의 차이가 2 내지 3m 미만으로 유지되는 것을 확인하였다. 이는 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리(CTWD)가 적정한 수준을 유지하여 상기 레이어 적층체가 과도한 열을 받는 것을 방지하였으며, 제조 과정에서도 스패터가 발생하지 않았기 때문으로 해석된다.
도면에는 개시하지 않았지만, 실시예 13 내지 15 역시 상기 실시예 11 및 실시예 12와 유사하게 95% 이상의 정밀도를 가지고 있음을 확인하였다.
반면에 상기 CTWD가 10㎜ 미만으로 제조된 비교예 11 및 비교예 12는 상기 레이어에 아크열이 전달되어 과량의 스패터가 발생하였으며, 일부 레이어에 열변형이 발생하여 정밀도가 90% 이하, 더욱 바람직하게는 83% 이하로 감소하였다.
실제로 도 13을 참조하면, 상기 레이어 적층체를 제조하는 과정에서 상기 CTWD가 10㎜ 미만이면 상기 스패터로 인하여 용접 팁 오염 및 제품 표면에 결함이 발생하거나, 제품 표면에 결함이 발생한 것을 쉽게 확인할 수 있다. 이러한 이유로 형상 정밀도가 감소되고, 표면 불량이 증가하여 상품성이 감소한 것을 알 수 있다.
상기 CTWD가 30㎜를 초과하는 비교예 13 및 비교예 14는 스패터는 발생하지 않았으나, 상기 정밀도가 90% 이하로 감소한 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 상기 CTWD가 30㎜를 초과하면 상기 용접 비드를 생성하는데 요구되는 저항이 크게 증가하기 때문에, 동일한 전압 조건 시 요구 전류가 크게 증가함에 따라 입열량이 일정하지 못하여 특정 부분은 입열량이 부족하고, 특정 부분은 입열량이 과하여 변형이 발생하였기 때문이다. 다시 말해, 상기 CTWD가 지나치게 높으면, 아크가 불안정하여 상기 레이어 적층체를 제조하는데 비드의 높이 편차가 발생하는 등 수치 정밀도가 감소할 수 있다.
실제로 비교예 13에 따라 제조된 도 14를 참조하면, 정밀도가 89.08%로 감소한 것을 확인할 수 있으며, 아크가 불안정하여 비드의 높이, 넓이 편차가 다른 실시예 및 비교예보다 더욱 크게 발생하였다.
이상, 본 발명의 실시예 및 비교에를 통해 본 발명의 공정 변수에 대해 설명하였다. 즉, 본 발명은 아크(Arc) 열원을 이용하여 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 브론즈(Bronze)가 혼합된 솔리드 와이어를 용해하여 용접 비드를 형성하고, 상기 용접 비드를 오버랩 하여 레이어를 제조할 수 있다. 또한, 상기 레이어를 적층하여 레이어 적층체를 제조한 후 이를 기계 가공하여 NAB 합금 프로펠러를 제조할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 프로펠러에 대한 형상 데이터를 획득하는 단계, 상기 형상 데이터를 바탕으로 3D 프린팅 경로를 설정하는 단계, 상기 3D 프린팅 경로를 따라 와이어를 용해하여 비드를 제조하는 단계, 상기 용접 비드를 동일한 간격으로 중첩하여 레이어를 제조하는 단계, 상기 레이어를 소정 간격으로 적층하여 레이어 적층체를 제조하는 단계 및 상기 레이어 적층체의 표면을 기계가공하여 프로펠러를 완성하는 단계를 제공할 수 있으며, 이 과정에서 비드가 중첩되는 간격을 제어하여 레이어 적층체의 정밀성을 95% 이상으로 향상할 수 있다.
상기 레이어 적층체의 정밀성을 향상하는 방법의 일 예로, 본 발명은 동일한 레이어에서 선택되는 어느 하나의 비드와, 상기 비드와 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리가 하기 관계식 1을 만족하도록 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 제어할 수 있다.
[관계식 1]
0.65w ≤ d ≤0.75w
(상기 관계식 1에서 w는 단일 비드의 폭을 의미하며, d는 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 의미한다)
또한 본 발명은 상기 비드 중심간 거리를 관계식 1을 만족하는 범위로 제어한 후, 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리(CTWD)를 10 내지 30 ㎜으로 제어할 수 있다.
이러한 과정을 거쳐 본 발명은 레이어 적층체의 정밀성을 95% 이상으로 향상시킨 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 치수 정밀성을 향상하는 방법의 일 예로, 본 발명은 상기 3D 프린팅 경로를 설정하는 단계에서 동일한 위치에 적층되는 레이어에서 선택되는 어느 하나의 레이어와 상기 레이어에 인접하여 적층된 레이어의 시작 지점과 종료 지점을 서로 교차하는 지그재그(Zig-Zag) 방식으로 상기 레이어를 적층할 수 있다. 이를 통해 상기 레이어 적층체의 구조적 안정성을 더욱 향상할 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 또 다른 일 특징에 따르면, 본 발명은 상기 레이어의 적층 과정에서 상기 레이어 적층체의 온도를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 레이어 적층체의 온도가 200℃를 초과하면 상기 레이어의 적층을 일시적으로 정지시키고, 상기 레이어의 온도를 200℃ 이하로 냉각할 수 있다. 이를 통해 레이어 적층체의 흘러내림 현상을 방지하고, 변형을 최소화하여 형상의 정밀도를 향상할 수 있다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 프로펠러에 대한 형상 데이터를 획득하는 단계;
    상기 형상 데이터를 바탕으로 3D 프린팅 경로를 설정하는 단계;
    상기 3D 프린팅 경로를 따라 와이어를 용해하여 비드를 제조하는 단계;
    상기 비드를 동일한 간격으로 중첩하여 레이어를 제조하는 단계;
    상기 레이어를 소정 간격 으로 적층하여 레이어 적층체를 제조하는 단계; 및
    상기 레이어 적층체의 표면을 기계가공하여 프로펠러를 완성하는 단계;를 포함하며,
    상기 레이어를 제조하는 단계는, 상기 동일한 레이어에서 선택되는 어느 하나의 비드와, 상기 비드와 서로 오버랩되는 비드 중심간 거리가 하기 관계식 1을 만족하며,
    상기 레이어를 제조하는 단계는 비드가 중첩되는 간격을 제어하여 이론상 레이어 적층체의 높이에 대한 실제 레이어 높이에 대한 정밀도를 95% 이상으로 향상하는 것을 특징으로 하는. 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법.
    [관계식 1]
    0.65w ≤ d ≤0.75w
    (상기 관계식 1에서 w는 단일 비드의 폭을 의미하며, d는 서로 오버랩 되는 비드 중심간 거리를 의미한다)
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 레이어를 적층하는 단계에서,
    상기 레이어의 높이 간격은 하기 관계식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법.
    [관계식 2]
    0.8h ≤ l ≤ h
    (상기 관계식 2에서 h는 단일 비드의 높이를 의미하며, l는 레이어의 높이 간격을 의미한다)
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 비드를 제조하는 단계에서,
    상기 비드가 형성되는 면과 상기 와이어 사이의 수직 거리는 10 내지 30 ㎜인 것을 특징으로 하는, 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기3D 프린팅 경로를 설정하는 단계에서,
    동일한 위치에 적층되는 레이어에서 선택되는 어느 하나의 레이어를 제1 레이어;
    상기 제1 레이어의 상층 또는 하층에 인접하여 적층된 레이어를 제2 레이어;으로 정의할 때,
    상기 제1 레이어의 시작 지점과 상기 제2 레이어의 종료 지점이 교차하여 지그재그(Zig-Zag)로 적층되는 것을 특징으로 하는, 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 와이어는 솔리드 와이어로 제공되며,
    상기 솔리드 와이어는 7 내지 11중량%의 알루미늄(Al), 2 내지 7중량%의 니켈(Ni), 1중량% 이하(0% 제외)의 아연(Zn), 5 중량% 이하(0% 제외)의 철(Fe), 5중량% 이하(0% 제외)의 망간(Mn) 및 잔부의 구리(Cu)로 이루어진 합금으로 제공되는 것을 특징으로 하는, 와이어 아크 3D 적층법으로 제조한 NAB 합금 프로펠러의 제조방법.
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