KR102571635B1 - 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 3차원 프린팅 공정 - Google Patents

압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 3차원 프린팅 공정 Download PDF

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Abstract

압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법이 제공된다. 상기 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법은, 금속 산화물 1차 분말을 준비하는 단계, 상기 금속 산화물 1차 분말을 습식 분쇄하여, 금속 산화물 2차 분말의 슬러리를 제조하는 단계, 상기 슬러리를 분무 및 건조하여, 상기 금속 산화물 2차 분말이 응집된 응집체를 제조하는 단계, 상기 응집체를 열처리 환원시켜, 상기 응집체보다 작은 크기의 1차 입자, 및 상기 응집체보다 큰 2차 입자를 동시에 제조하는 단계, 및 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자보다 큰 크기의 3차 입자를, 바인더, 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자와 혼합하여 트라이모달 구조의 피드스톡을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 3차원 프린팅 공정{Feedstock for extrusion type 3D printing process, method of fabricating of the same, and 3D printing process using the same}
본 출원은 3차원 프린팅 공정용 피드스톡, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 3차원 프린팅 공정에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 3차원 프린팅 공정에 관련된 것이다.
공급 원료를 이용하여 금속 부품을 얻기 위해서 분말 사출 성형 기술과 최근 연구·개발되고 있는 3D 프린팅 기술이 있다. 분말 사출 성형 기술의 경우, 금속 분말을 이용하여 공급 원료 (피드스톡)를 만들고 스크류 타입의 수평 노즐에 공급 원료를 투입하여 압출한 후 금형 틀에 채워넣고 이를 탈지 및 소결하여 최종 부품을 얻는 기술이다. 분말 사출 성형은 금속 부품의 대량 생산에 유리하다.
3D 프린팅 기술을 통해 금속 부품을 제작하기 위해서 고에너지의 빔과 레이저를 이용한 Powder Bed Fusion (PBF) 방식과 Directed Energy Deposition (DED) 방식이 활발하게 연구, 개발됐다. PBF 방식은 고에너지의 레이저를 분말에 조사하여 복잡한 형상을 빠른 속도로 인쇄하고 정밀도가 우수한 방식이다. DED 방식의 경우, 고에너지의 빔에 분말을 공급하여 높은 기계적 특성을 갖는 부품을 생산한다. 낮은 에너지로 금속 소재를 프린팅하기 위한 방식으로 금속 분말에 수지를 첨가하는 ‘Binder asisted 3D 프린팅’인 Binder Jetting (BJ), Fused Deposition Modeling(FDM) 방식이 있다. 최근 많은 연구가 진행되고 있는 BJ 방식은 고에너지원 대신에 수지를 접착하여 제품을 쌓는 기술이며 BJ 방식은 복잡한 형상의 제품을 빠른 속도를 인쇄한다. FDM 방식의 경우, 필라멘트 혹은 공급 원료를 녹여 노즐을 통해 직접적으로 인쇄하는 방식이며 가장 많이 사용되어 보편화되어 있는 프린팅 방식이다.
분말 사출 성형 기술은 금속 부품의 대량 생산에 유리하지만 비싼 금형 틀을 필요로 하여 소품종 부품 생산의 한계를 가지며 금형 틀을 제작할 수 없는 복잡한 형상의 부품들의 생산이 어렵다. 3D 프린팅의 경우, 다품종의 부품을 생산하는데 최적의 장비이지만 특히 금속 부품 생산을 위해 높은 에너지의 레이저 혹은 빔이 요구되며 비싼 장비비와 공정비용이 요구되어 진입 장벽이 높은 단점이 있다. 뿐만 아니라 프린팅을 위해 특정 입도 범위로 분급된 구형 분말이 필요하여 재료의 원가가 비싸다. 최근 연구되고 있는 FDM 방식의 금속 3D 프린터의 경우, 일반적으로 마이크로미터 크기의 단일 분말을 원재료하며 수지와 혼합하여 필라멘트를 제조한다. 하지만 부품 출력 후 탈지 공정 중 부품 형태가 무너지는 문제가 생겨 혼합하는 수지는 고온에서도 녹지 않는 뼈대 역할을 하는 수지가 첨가되게 된다. 이는 출력 과정 중 상대적으로 높은 온도가 요구될 뿐만 아니라 탈지 공정 중 복잡하고 섬세한 열처리 공정을 필요로 한다.
본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고가의 장비나 추가적인 금형이 필요하지 않는 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 3차원 프리팅 공정을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 공급 원료를 낮은 온도에서 압출하여 금속 부품을 제작할 수 있는 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 3차원 프리팅 공정을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 높은 밀도를 가지고 기계적 특성이 향상된 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 3차원 프리팅 공정을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 출원은 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법은, 금속 산화물 1차 분말을 준비하는 단계, 상기 금속 산화물 1차 분말을 습식 분쇄하여, 금속 산화물 2차 분말의 슬러리를 제조하는 단계, 상기 슬러리를 분무 및 건조하여, 상기 금속 산화물 2차 분말이 응집된 응집체를 제조하는 단계, 상기 응집체를 열처리 환원시켜, 상기 응집체보다 작은 크기의 1차 입자, 및 상기 응집체보다 큰 2차 입자를 동시에 제조하는 단계, 및 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자보다 큰 크기의 3차 입자를, 바인더, 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자와 혼합하여 트라이모달 구조의 피드스톡을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 슬러리를 제조하는 단계는, 메탄올을 매질로 이용한 고에너지 비드밀을 이용하여 수행되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 응집체는, 수소 분위기에서 열처리 환원되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 응집체는, 상대적으로 작은 크기의 제1 응집체 및 상대적으로 큰 크기의 제2 응집체를 포함하고, 상기 응집체를 열처리 환원하는 과정에서, 상기 제1 응집체의 금속이 용해되어, 상기 제2 응집체로 이동되고, 상기 제2 응집체의 크기가 증가하여 상기 2차 입자로 정의되고, 상기 제1 응집체의 크기가 감소하여 상기 1차 입자로 정의되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더는 왁스계 바인더인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 내지 제3 입자와 상기 바인더의 비율에 따라서, 상기 피드스톡의 점도가 제어되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물 1차 분말은 철 산화물 분말을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 압출 방식의 3차원 프린팅 공정을 이용한 부품의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 압출 방식의 3차원 프린팅 공정을 이용한 부품의 제조 방법은, 상술된 실시 예들에 따른 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법으로 트라이모달 구조의 상기 피드스톡을 제조하는 단계, 상기 피드스톡을 이용한 압출 방식의 3차원 프린팅 공정으로, 예비 부품을 제조하는 단계, 상기 예비 부품을 탈지 및 소결하여, 부품을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 내지 제3 입자와 상기 바인더의 비율에 따라서, 상기 부품의 밀도가 제어되는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡은, 1차 입자, 상기 1차 입자보다 큰 크기의 2차 입자, 상기 2차 입자보다 큰 크기의 3차 입자를 포함하는 트라이모달 금속 분말, 상기 트라이모달 금속 분말과 함께 혼합된 바인더를 포함하되, 상기 1차 입자와 상기 2차 입자의 크기 차이보다, 상기 2차 입자와 상기 3차 입자의 크기 차이가 더 큰 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더는 파라핀 왁스 및 스테아르산을 포함할 수 있다.
본 출원의 실시 예에 따르면, 금속 산화물 1차 분말을 습식 분쇄하여, 금속 산화물 2차 분말의 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 분무 및 건조하여, 상기 금속 산화물 2차 분말이 응집된 응집체를 제조하고, 상기 응집체를 열처리 환원시켜, 상기 응집체보다 작은 크기의 1차 입자, 및 상기 응집체보다 큰 2차 입자를 동시에 제조하고, 및 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자보다 큰 크기의 3차 입자를, 바인더, 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자와 혼합하여 트라이모달 구조의 피드스톡이 제조될 수 있다.
이에 따라, 높은 밀도를 가지고, 기계적 특성이 우수한 부품이 압출방식의 3차원 프린팅 공정을 이용하여 용이하게 제조될 수 있다.
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법에서 1차 분말로부터 2차 분말을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 출원의 실시 예에 따른 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법에서 바이모달 구조의 분말을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 출원의 실시 예에 따른 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법에서 트라이모달 구조의 피드스톡을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 출원의 실시 예에 따른 피드스톡을 이용한 3D 프린팅 공정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 출원의 실험 예에 따른 철 분말을 촬영한 SEM 사진이다.
도 7은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 함량에 따른 혼합 토크를 측정한 그래프이다.
도 8는 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말을 촬영한 SEM 사잔이다.
도 9은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 혼합 RPM에 따른 혼합 토크를 측정한 그래프이다.
도 10는 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 Vol%에 따른 SEM 사진을 촬영한 것이다.
도 11는 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 Vol%에 따른 전단율 및 점도 그래프이다.
도 12은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말을 이용하여 제조된 시편을 촬영한 사진이다.
도 13은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말을 이용하여 제조된 시편의 소결 조건에 따른 상대밀도를 측정한 그래프이다.
도 14은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말을 이용하여 제조된 시편의 소결 조건에 따른 OM 이미지이다.
도 15는 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 함량에 따른 상대 밀도를 측정한 그래프 및 제조된 부품을 촬영한 사진이다.
도 16은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 함량에 따른 수축률을 측정한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법에서 1차 분말로부터 2차 분말을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 출원의 실시 예에 따른 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법에서 바이모달 구조의 분말을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 출원의 실시 예에 따른 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법에서 트라이모달 구조의 피드스톡을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 금속 산화물 1차 분말(110)이 준비된다(S110).
예를 들어, 상기 금속 산화물 1차 분말(110)은 철 산화물 분말일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 금속 산화물 1차 분말(110)은 α-Fe2O3 분말일 수 있다.
상기 금속 산화물 1차 분말(110)을 습식 분쇄하여, 금속 산화물 2차 분말(120)의 슬러리가 제조될 수 있다(S120).
즉, 상기 금속 산화물 1차 분말(110)은 습식 분쇄되어, 상기 금속 산화물 2차 분말(120)은 상기 금속 산화물 1차 분말(110)보다 작은 크기를 갖는 나노 사이즈의 분말일 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 산화물 1차 분말(110)은 메탄올을 매질로 이용한 고에너지 비드밀을 이용하여 수행될 수 있고, 이로 인해, 상기 금속 산화물 2차 분말(120)의 슬러리가 제조될 수 있다.
상기 슬러리를 분무 및 건조하여 상기 금속 산화물 2차 분말(120)이 응집된 응집체(130)가 제조될 수 있다(S130).
상기 슬러리는 초음파 진동기 또는 분무기를 이용하여 액적 상태로 분무될 수 있고, 상기 액적 내에는 나노 크기의 상기 금속 산화물 2차 분말(120)이 제공될 수 있다. 상기 액적이 건조되는 과정에서 상기 금속 산화물 2차 분말(120)이 응집되어 상기 응집체(130)가 제조될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 초음파 진도기의 진동 조건 또는 분무기의 노즐 크기를 제어하는 방법으로, 상기 액적의 크기가 제어될 수 있고, 상기 액적의 크기에 따라서 상기 응집체(130)의 크기가 제어될 수 있다.
상기 응집체(130)를 열처리 환원시켜, 상기 응집체(130)보다 작은 크기의 1차 입자(141) 및 상기 응집체(130)보다 큰 크기의 2차 입자(142)가 동시에 제조될 수 있다(S140).
예를 들어, 상기 응집체(130)는 수소 분위기에서 열처리 환원될 수 있고, 상술된 바와 같이 상기 금속 산화물 1차 분말(110) 철 산화물인 경우, 상기 응집체(130)는 철(Fe)일 수 있다.
상기 응집체(130)를 제조하는 과정에서, 서로 다른 크기의 응집체들이 제조될 수 있다. 즉, 상기 응집체(130)는 상대적으로 작은 크기의 제1 응집체 및 상대적으로 큰 크기의 제2 응집체를 포함할 수 있다.
상기 제1 응집체 및 상기 제2 응집체를 포함하는 상기 응집체(130)가 열처리 환원되는 과정에서, 상대적으로 작은 크기의 상기 제1 응집체의 금속이 상기 제2 응집체보다 상대적으로 용이하게 용해될 수 있다. 용해된 상기 제1 응집체의 금속이 상기 제2 응집체로 이동될 수 있고, 이로 인해, 상기 제2 응집체는 열처리 환원 과정에서 크기가 증가되고, 상기 제1 응집체는 열처리 환원 과정에서 크기가 감소될 수 있다. 이와 같은, 용해 및 입자 크기 변경은, 입자의 크기에 따른 표면적 차이에 기인하는 것으로, 크기가 증가된 제2 응집체는 열처리 환원되어 상기 2차 입자(142)로 정의되고, 크기가 감소된 제1 응집체는 열처리 환원되어 상기 1차 입자(141)로 정의될 수 있다.
이에 따라, 서로 다른 크기를 갖는 상기 1차 입자(141) 및 상기 2차 입자(142)를 갖는 바이모달 분말(140)이 제조될 수 있다.
계속해서, 도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 1차 입자(141) 및 상기 2차 입자(142)보다 큰 크기의 3차 입자(143)를 바인더(144), 상기 1차 입자(141), 및 상기 2차 입자(143)와 혼합하여, 트라이모달 구성의 피드스톡(150)이 제조될 수 있다(S150).
즉, 상기 피드스톡(150)은, 서로 다른 크기의 1차 내지 3차 입자(141~143)를 포함하고, 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 바인더(144)로 둘러싸인 형태일 수 있다.
상기 바인더(144)는 왁스계 바인더일 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더(144)는 파라핀 왁스 및 스테아르산을 혼합한 것일 수 있다.
상기 1차 입자(141)와 상기 2차 입자(142)의 크기 차이보다, 상기 2차 입자(142)와 상기 3차 입자(143)의 크기 차이가 더 클 수 있다. 이에 따라, 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 3차 입자(143) 사이에 상기 1차 입자(141) 및 상기 2차 입자(142)가 바인더와 함께 제공될 수 있다.
상기 1차 입자(141) 및 상기 2차 입자(142)를 상기 3차 입자(143) 및 상기 바인더(144)와 혼합하기 전, 상기 1차 입자(141) 및 상기 2차 입자(142)가 코팅될 수 있다. 이에 따라, 상대적은 작은 크기의 상기 1차 입자(141) 및 상기 2차 입자(142)가 산화되는 것이 방지될 수 있다. 예를 들어, 상기 1차 입자(141) 및 상기 2차 입자(142)는 스테아르산을 이용하여 코팅될 수 있다.
본 출원의 실시 예에 따라 제조된 상기 피드스톡(150)은 압출 방식의 3차원 프린팅의 원료로 활용될 수 있다.
구체적으로, 상기 피드스톡(150)을 이용하여 압출 방식의 3차원 프린팅 공정으로 예비 부품을 제조하고, 상기 예비 부품을 탈지 및 소결하여 부품이 제조될 수 있다.
본 출원의 실시 예에 따른 상기 피드스톡(150)은, 기존의 FDM 방식의 금속 3D 프린터와는 달리, 불균일한 입도 분포를 갖는 분말로 이루어질 수 있고, 탈지 및 소결 공정 중 나노미터 크기의 상기 1차 입자(141) 및/또는 상기 2차 입자(142)의 소결로 인해 부품의 형태가 유지될 수 있으며, 이로 인해 금속 부품의 출력이 100 ℃이하의 온도에서도 가능해질 수 있다.
도 5는 본 출원의 실시 예에 따른 피드스톡을 이용한 3D 프린팅 공정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5를 참조하면, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 방법으로 제조된 피드스톡은 스크류 타입의 FDM 기반 금속 3D 프린터의 원료로 활용될 수 있다. 상기 피드스톡은 낮은 온도에서도 높은 흐름성을 갖는 수지를 사용하여, 100 ℃이하의 온도에서 부품 제작이 가능하다. 또한 마이크로미터 크기의 3차 입자 사이를 나노미터 크기의 1차 및 2차 입자가 채워, 부품의 최종 소결 밀도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 100 ℃이하의 온도에서 피드스톡의 균일한 압출을 위해 노즐의 내경, 노즐 온도, 스크류의 회전 속도 조건 및 피드스톡의 점도를 최적화하여 고에너지나 복잡한 변수가 필요하지 않는 3D 프린팅 시스템의 구현이 가능하다.
도 5에서 스크류를 갖는 노즐의 일측에 피드스톡 공급원료가 공급되는 공급관(제1 공급관)이 제공되는 것으로 도시하였으나, 일 변형 예에 따르면, 상기 노즐의 타측에 추가의 공급관(제2 공급관)이 제공될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 공급관으로 제1 피드스톡이 공급되고 상기 제2 공급관으로 제2 피드스톡이 공급될 수 있고, 상기 제1 피드스톡은 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 상기 1차 입자(141) 및 상기 2차 입자(142)에 상기 바인더(144)가 혼합된 것이고, 상기 제2 피드스톡은 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 상기 3차 입자(143)에 상기 바인더(144)가 혼합된 것일 수 있다. 상기 제1 공급관 및 상기 제2 공급관은 동일한 높이 및 레벨에서 상기 노즐의 측벽 상에 연통될 수 있고, 상기 노즐 내의 상기 스크류에 의해 상기 제1 피드스톡 및 상기 제2 피드스톡이 혼합되어, 트라모달 구성의 상기 피드스톡(150)이 상기 노즐 내에서 제조되어 토출될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 피드스톡 공급량 및 상기 제2 피드스톡의 공급량을 제어하는 방법으로, 트리모달 구성의 상기 피드스톡(150) 내, 상기 1차 입자(141) 및 상기 2차 입자(142) 대비 상기 3차 입자(143)의 비율을 간편하게 제어할 수 있다.
이하, 본 출원의 구체적인 실험 예에 따른 트리모달 구성의 피드스톡의 제조 방법 및 특성 평가 결과가 설명된다.
실험 예에 따른 트라이모달 철 분말 제조 및 인쇄 공정
트라이모달(Trimodal) 구성의 철 분말을 제조하기 전에 α-Fe2O3 분말(Kojundo chemical, Japen, 99.9%)을 고에너지 비드밀을 사용하여 분쇄하여 균일하게 밀링된 Fe2O3 나노 분말을 제조하였다. 구체적으로, 산화철 분말(Kojundo chemical, Japen) 500g을 밀링 매질로 메탄올을 사용하여 2400RPM에서 20시간 동안 밀링하되, 1 크기의 지르코니아 비드를 사용하였다. 밀링 과정을 통해, 마이크로 크기의 산화철 분말이 나노 크기의 산화철 슬러리(Fe2O3+CH3OH)로 제조되었다.
산화철 슬러리를 분무 건조기(미현엔지니어링(주))를 사용하여 산화철 분말 응집체로 건조시켰다. 건조된 산화철 분말을 순수한 철 분말로 환원시키기 위해 수소 분위기(99.999%)에서 열처리를 수행하였다. 구체적으로, 10℃/min의 승온 속도로 550℃까지 승온하고 1시간 동안 열처리하였다. 이 과정에서 철 나노입자의 크기 차이로 인해(입자의 크기에 따른 표면적의 차이로 인해) 오스왈트 라이프닝(Oswalt Ripening) 현상이 발생하며, 이로 인해, 상대적으로 작은 철 입자는 쉽게 용해되고 작은 입자에서 용해된 원자는 더 큰 입자로 확산된다. 결론적으로, 작은 입자는 크기가 줄어들고 큰 입자는 더 커지며, 열처리에 의해 철 분말은 바이모달(Bimodal) 구성을 가질 수 있다.
바이모달(Bimodal) 구성의 철 분말을 구형 철 분말(Avention, 한국, 99.9 %, 5 ~ 10um)과 혼합하고, tubular mixer를 이용하여 트라이모달(trimodal) 구성의 분말을 제조하였다. 구체적으로, 바이모달 구성의 철 분말과 구형 철 분말을 25vol%:75vol%의 비율로 혼합하였고, 혼합 전, 나노철 분말은 공기중에서 취급시 표면적이 커서 쉽게 산화될 수 있어 스테아르산으로 코팅하였다(삼천, 한국, 95.0%). 또한, 트라이모달(Trimodal) 구성의 철 분말은 파라핀 왁스(75vol%)와 스테아르산(25vol%)을 포함하는 왁스 기반의 바인더와 혼합하였다.
압출 기반 AM 장비를 이용하여, 중공 실린더 형태의 시편을 출력하였다. 인쇄 조건은 아래의 <표 1>과 같다.
인쇄 조건 값
노즐 크기(Nozzle size) (mm) 1
층의 높이(Layer height) (mm) 0.9
쉘 두께(Shell Thickness) (mm) 1
하부 및 상부 두께(Bottom/Top thickness) (mm) 0
채우기(Fill density) (%) 0
인쇄 속도(Print speed) (mm/s) 30
노즐 온도(Nozzle temperature) (℃) 75
필라멘트 직경(Filament diameter) (mm) 1.6
Flow rate (%) 20
최초층 두께(Initial layer thickness) (mm) 0.6
인쇄된 시편의 조밀화를 위해 탈지(debinding) 및 소결 과정을 수행하였다. 시편의 탈지 과정은 실온에서 100°C에서 20분(10°C/min), 200°C에서 45분(1°C/min), 500°C에서 45분(5°C)으로 진행하였으며, 소결조건의 최적화를 위하여 소결온도를 1250~1400℃, 승온속도를 5~10℃/min, 소결시간을 3.6시간으로 하여 제어하였다. 아래의 <표 2>는 상세한 소결 조건을 기재한 것이다. 고온의 관로(Myeongseong Engineering, Korea)를 이용하여 소결하였으며, 산화를 방지하기 위하여 H25%-Ar95% 혼합가스 분위기에서 소결 과정이 수행되었다.
소결된 시편의 밀도와 미세조직을 관찰하여 각 변수가 최종 소결부에 미치는 영향을 확인하였다. 구체적으로, 소결된 시편의 밀도는 Archimedes 방법(Mettlier toredo)을 통해 측정하였고, 미세구조는 광학현미경(BX-51, Oplympus)을 통해 관찰되었고, 압출된 분말의 함량별 시편을 열처리하여 열처리 후 각 소결체의 밀도 및 수축률을, 후술되는 바와 같이, 분석하였다.
소결 온도(℃) 승온 속도 (℃/min) 시간 (hours)
실험 예 1 1300 10 3
실험 예 2 1350 10 3
실험 예 3 1400 10 3
실험 예 4-1 1250 5 3
실험 예 4-2 1300 5 3
실험 예 4-3 1350 5 3
실험 예 5 1300 10 6
실험 예 6 1250 5 6
도 6은 본 출원의 실험 예에 따른 철 분말을 촬영한 SEM 사진이다.
도 6을 참조하면, 상술된 실험 예에 따라 제조된 산화철 나노 분말 응집체(도 6의 (a)), 산화철 나노 분말(도 6의 (b)), 환원된 산화철 나노 분말 응집체(도 6의 (c)), 및 바이모달 구조의 산화철 나노 분말(도 6의 (d))를 촬영하였다.
도 6에서 알 수 있듯이, 밀링 및 분무 과정을 통해, 바이모달 구조의 철 분말이 제조된 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 함량에 따른 혼합 토크를 측정한 그래프이다.
일반적으로 혼합 토크는 혼합 초기에 크게 증가하며, 이는 분말과 바인더가 균일하게 혼합되지 않아 마찰에 의해 발생하는 현상이다. 분말과 바인더는 시간이 지남에 따라 균일하게 혼합되며 혼합 토크도 점차 감소하여 특정한 값으로 포화된다.
도 7의 (a)는 모노모달 철 분말(상술된 실험 예에서 구형 철 분말(Avention, 한국, 99.9 %, 5 ~ 10um)) 및 바인더(파라핀 왁스(75vol%) 및 스테아르산(25vol%))를 혼합하되, 모노모달 철 분말의 vol%를 60~74vol%까지 증가시키면서 혼합 토크를 측정한 것이다.
도 7의 (a)에서 알 수 있듯이, 60-64 vol%에서 혼합 토크는 비교적 짧은 시간에 포화되는 것을 확인할 수 있다. 이는 모노모달 철 분말이 미세분말로만 구성되어 있어 분말 사이의 공극이 마이크로 크기로 존재하여 바인더가 침투하기 쉽기 때문이다.
도 7의 (b)는 상술된 실험 예에 따라 제조된 트라이모달 철 분말 및 바인더(파라핀 왁스(75vol%) 및 스테아르산(25vol%))를 혼합하되, 트라이모달 철 분말의 vol%를 60~74vol%까지 증가시키면서 혼합 토크를 측정한 것이다.
도 7의 (b)에서 알 수 있듯이, 모노모달 철 분말과는 대조적으로, 혼합 토크가 60-64 vol%의 분말 함량에서 포화되는 데 비교적 오랜 시간이 걸리는 것을 확인할 수 있다. 이는 바인더가 트라이모달 공급원료의 나노 입자 사이의 공극으로 바인더가 침투하기가 상대적으로 어렵기 때문이다.
트라이모달 철 분말 함량이 66-68 vol%인 경우, 두 공급원료의 혼합 토크가 유사하게 증가했다가 감소하였으며, 도 7의 (a)에 도시된 것과 같이, 모노모달 철 분말이 70 vol%인 경우, 혼합 토크가 포화되는 데 비교적 오랜 시간이 걸리고, 모노모달 철 분말이 72 vol%인 경우, 시간이 지남에 따라 포화되지 않고 증가하는 거동을 확인할 수 있다. 이는 바인더 부족으로 인해 분말 사이의 마찰력을 적절히 감소시키지 못하여 발생한 것으로, 결론적으로 모노모달 공급원료는 임계 분말 부하가 낮음을 알 수 있다.
반면에 트라이모달 철 분말을 사용한 경우 고분말 함량 구간에서도 낮은 분말 함량 구간과 유사한 거동을 보였다. 즉, 다시 말하면, 트라이모달 철 분말이 74vol%인 경우에도 바인더가 분말과 적절히 혼합되어, 분말 사이의 마찰이 효과적으로 최소화되었음을 알 수 있다.
도 8는 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말을 촬영한 SEM 사잔이다.
도 8를 참조하면, 도 8의 (a)는 모노모달 철 분말 74Vol%인 경우 바인더와 혼합된 SEM 사진이고, 도 8의 (b)는 트라이모달 철 분말 74Vol%인 경우 바인더와 혼합된 SEM 사진이다.
모노모달 철 분말을 사용한 경우, 마이크로파우더 사이의 빈 공간이 상대적으로 많기 때문에 빈 공간을 바인더로 채우기 위해서는 많은 양의 바인더가 필요한 것을 확인할 수 있다. 따라서 도 8의 (a)에서 분말 사이에 약간의 바인더가 존재하지만 바인더가 부족한 것을 확인할 수 있으며, 따라서 혼합 토크는 도 7의 (a)와 같이 포화되지 않는다.
반면, 트라이모달 철 분말을 사용한 경우, 도 8의 (b)에 도시된 것과 같이, 분말 사이에 빈 공간이 실질적으로 없는 것을 확인할 수 있으며, 따라서 빈 공간을 채우기 위해 비교적 적은 양의 바인더가 필요한 것을 알 수 있다.
결론적으로, 트라이모달 구성의 피드스톡의 경우, 모노모달 구성의 피드스톡과 비교하여 분말 간의 마찰을 줄이기 위해 상대적으로 적은 바인더를 필요로 하며, 이에 따라서, 피드스톡 내 분말 함량을 높이는 데 유리한 것을 확인할 수 있다. 이로 인해, 트라이모달 구성의 피드스톡을 사용하여 탈지 및 소결을 통해 기계적 물성이 우수한 부품을 제조할 수 있다.
도 9은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 혼합 RPM에 따른 혼합 토크를 측정한 그래프이고, 도 10는 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 Vol%에 따른 SEM 사진을 촬영한 것이다.
도 9 및 도 10를 참조하면, 상술된 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 비율을 60Vol%, 65 Vol%, 70 Vol%, 75 Vol%, 및 80 Vol%로 제어하고, 바인더와 혼합 시 RPM을 60RPM, 30RPM, 10RPM, 및 4RPM으로 제어하면서, 혼합 토크를 측정하였고, 혼합 이후 SEM 사진을 촬영하였다.
임계분말 함량이란 결함이 최소화된 부품을 압출하기에 적합한 유동특성을 갖는 범위 내에서 가장 높은 분말 함량을 갖는 것을 의미한다. 이를 확인하기 위해, 트라이모달 철 분말 사용 시, 임계 분말 함량을 결정하기 위해 분말 함량을 제어하면서 RPM 변화에 따른 혼합 토크를 측정하였다.
도 9에서 알 수 있듯이, 분말 함량이 증가함에 따라 혼합 토크가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 입자 사이의 마찰력 증가로 인한 결과이다. 또한 트라이모달 철 분말이 60vol%인 경우, 토크 편차가 상대적으로 작지만, 트라이모달 철 분말의 함량이 80 vol%인 경우 혼합 토크 편차가 증가하며, 분말 함량이 증가함에 따라 토크 편차가 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 과도한 분말로 인한 불균일한 혼합에 기인한다. 피트스톡의 불균일한 혼합은 시편 또는 부품 내 다공 구조를 형성하거나, 또는 균열이 시작되는 지점으로 작용할 수 있다.
도 10에서 알 수 있듯이, 미세 분말 사이에 나노 분말이 적재되고 분말 사이에 바인더가 혼합된다. 트라이모달 철 분말이 60vol%인 경우, 바인더가 과도하게 함유되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 분말 함량이 증가함에 따라 잔류 바인더의 양은 감소하는 것을 알 수 있다. 트라이모달 철 분말이 80vol%인 경우, 바인더 부족으로 인해 분말 사이에 많은 공간이 관찰되었다.
결론적으로, 그 결과 도 9의 (c) 및 (d)에 도시된 것과 같이, 분말 사이의 빈 공간이 증가할수록 혼합 토크의 변화도 증가함을 확인할 수 있다. 반면, 트라이모달 철 분말 70vol%인 경우, 바인더가 부족하거나 과도하지 않았으며, 분말과 바인더가 균일하게 혼합되어 있는 것을 관찰할 수 있다.
도 11는 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 Vol%에 따른 전단율 및 점도 그래프이다.
도 11를 참조하면, 상술된 실험 예에 따라 트라이모달 철 분말의 비율을 60Vol%, 65 Vol%, 70 Vol%, 75 Vol%, 및 80 Vol%로 제어하면서, 전단율에 따른 점도를 나타내는 것으로, 아래의 <표 3>과 같이, 트라이모달 철 분말의 비율에 따른 점도를 계산하고, 도 11와 같이 그래프로 도시하였다.
분말 비율(vol%) Viscosity (Pa*s)
21.15 s-1 52.88 s-1 158.60 s-1 317.30 s-1
60 152.23 97.47 34.64 17.57
65 323.28 146.33 51.11 25.07
70 492.84 236.49 89.02 47.95
75 562.68 273.31 103.66 55.83
80 1123.15 476.81 173.44 94.89
동일한 전단 속도에서 공급원료의 점도는 분말 함량이 증가함에 따라 증가하는 경향이 있는 것을 확인할 수 있으며, 분말 함량이 같으면 전단율이 증가할수록 점도가 감소하는 경향이 있다.
도 12은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말을 이용하여 제조된 시편을 촬영한 사진이다.
도 12을 참조하면, 상술된 실험 예에 따라 제조된 트라이모달 철 분말 70Vol% 및 바인더를 갖는 피드스톡을 이용하여 FDM 방식으로 인쇄하여 부품을 제조하였다. 도 12의 (a)는 인쇄된 부품을 촬영한 것이고, 도 12의 (b)는 인쇄된 부품을 소결한 이후 촬영한 사진이다.
반면, 트라이모달 철 분말 80Vol%인 경우, 높은 전단 점도로 균일한 압출이 불가능하여, 원하는 형상의 부품을 인쇄하지 못하였다.
도 13은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말을 이용하여 제조된 시편의 소결 조건에 따른 상대밀도를 측정한 그래프이고, 도 14은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말을 이용하여 제조된 시편의 소결 조건에 따른 OM 이미지이다.
도 13 및 도 14을 참조하면, 상술된 실험 예에 따라 제조된 트라이모달 철 분말 70vol% 및 바인더를 이용하여 제조된 부품에 대해서 <표 2>의 조건에 따라서 소결을 진행하고, 밀도 및 OM 이미지를 획득하였다.
일반적으로 소결 온도가 높을수록 입자 간의 소결이 촉진되어 소결체의 밀도가 향상된다. 실험 예 1, 실험 예 2, 실험 예 3 및 실험 예 4-1, 실험 예 4-2, 실험 예 4-3은 10 및 5℃/min의 승온 속도로 가열되었으며, 소결 온도를 높이면 내부의 기공이 제거하지 않고 표면 근처의 나노 입자의 소결이 일어나 기공이 갇힐 수 있고, 따라서, 소결온도가 1300℃로 동일하지만 승온 속도가 느린 실험 예 4-2가 실험 예 1과 비교하여 높은 밀도를 갖는 것으로 측정되었고, 소결온도가 1350℃로 동일하지만 승온 속도가 느린 실험 예 4-3이 실험 예 2와 비교하여 높은 밀도를 갖는 것으로 측정되었다. 구체적으로, 실험 예 1과 실험 예 4-2는 약 4.36% 개선되었고 실험 예 2와 실험 예 4-3은 약 3.31% 개선되었다. 이와 같이 승온 속도가 크게 영향을 받는 이유는 미세분말 사이에 존재하는 나노분말의 소결 구동력이 높아 시편 표면의 소결로 인해 기공이 닫히기 때문이다.
실험 예 1과 실험 예 5를 비교하여, 밀도에 대한 소결 시간의 영향을 확인할 수 있다. 실험 예 1에 비해 실험 예 5의 소결 시간은 3시간 증가하였으며, 소결 시간 증가에 따라서 밀도 역시 약 3.44% 증가하였다. 결론적으로 소결 시간이 증가할수록 시편 내부의 기공이 감소하여 밀도 향상에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
소결 조건에 따른 시편의 밀도는 시편 내부의 기공도와 관련이 있으며, 도 14의 OM 이미지를 통해, 각 소결 조건에 따른 기공 구조를 확인할 수 있다. 도 14의 (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h)는 실험 예 1, 실험 예 2, 실험 예 3, 실험 예 4-1, 실험 예 4-2, 실험 예 4-3, 실험 예 5, 및 실험 예 6에 각각 대응할 수 있다.
도 14의 (d), (e), (f)를 참조하면, 소결 온도에 따른 기공 구조의 차이를 확인할 수 있으며, 소결 온도가 낮을수록 기공도가 낮았고 온도가 높을수록 기공도가 증가하였다.
또한, 도 14의 (a), (e)를 참조하면, 가열속도에 따른 기공구조의 차이를 확인할 수 있으며, 실험 예 4-2의 조건에서 느린 승온 속도로 소결된 시편은 13.53%로 낮은 기공률을 보였다.
또한, 도 14의 (a), (g)를 참조하면, 소결시간에 따른 기공구조의 차이를 확인할 수 있으며, 소결 시간이 3시간일 때의 기공도는 16.32%, 소결 시간이 6시간일 때의 기공률은 15.12%였다. 소결 시간은 내부 기공 감소에 어느 정도 영향을 미쳤지만 소결 온도나 가열 속도만큼은 아닌 것으로 확인된다.
도 15는 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 함량에 따른 상대 밀도를 측정한 그래프 및 제조된 부품을 촬영한 사진이다.
도 15를 참조하면, 상술된 실험 예에 따라 제조된 트라이모달 철 분말의 함량을 제어하면서 바인더와 혼합하여 피드스톡을 제조하고, 시편을 인쇄하고, 1250℃, 5℃/min 및 6시간 동안 소결 하였다. 도 15의 (b)는 트라이모달 철 분말의 함량이 75Vol%인 시편을 촬영한 사진이다.
트라이모달 철 분말이 60 vol%인 피드스톡은 바인더를 많이 함유하고 있어 바인더 제거 과정에서 상대적으로 많은 기공이 발생하였으며, 이러한 기공 중 일부는 소결 과정에서 제거되지 않고 소결체 내부에 갇혀 있다. 따라서 60 vol% 시편이 가장 낮은 상대밀도를 가지며, 분말의 함량이 증가할수록 상대밀도가 증가하는 경향을 확인할 수 있다.
하지만, 트라이모달 철 분말 함량이 75 vol%에 도달하면 오히려 밀도가 감소되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 도 10의 (d)에서 알 수 있듯이 밀도 감소의 원인은 소결 과정에서 빈 공간으로 존재하던 부분이 기공으로 발전했기 때문으로 예상된다.
또한, 도 15의 (b)는 열처리 후 75 vol% 시편으로, 소결 과정에서 시편이 파손된 것을 확인하였다. 이는 원료에 바인더가 부족하여 기존 기공이 성장하여 결함으로 발전하고 응력이 소결 수축을 동반하기 때문이다.
탈지 공정을 통해 바인더가 존재하던 부분은 빈 공간으로 남게 되며, 이러한 부분은 소결 과정에서 철 입자의 확산에 의해 치밀화된다. 그러나 원료의 미세구조는 분말과 바인더의 조성에 따라 달라지며, 소결 수축 거동도 차이를 보일 수 있다. 즉, 내부에 바인더가 너무 많으면 시편의 평균 수축률에 비해 수축이 더 많이 일어날 수 있고, 내부 바인더가 충분하지 않으면 공급 원료의 빈 공간으로 인해 불규칙한 소결 수축이 발생할 수 있다.
도 16은 본 출원의 실험 예에 따른 트라이모달 철 분말의 함량에 따른 수축률을 측정한 그래프이다.
도 16을 참조하면, 상술된 실험 예에 따라 제조된 트라이모달 철 분말의 함량을 제어하면서 바인더와 혼합하여 피드스톡을 제조하고, 시편을 인쇄하고, 1250℃, 5℃/min 및 6시간 동안 소결하는 과정에서 수축율을 측정하였다.
도 16에서 알 수 있듯이, 소결 전후의 길이를 통해 계산된 높이, 두께, 외경의 수축률을 확인할 수 있고, 분말 함량이 증가할수록 평균 수축률이 감소함을 알 수 있다. 이는 원료에 포함된 바인더의 양이 적어 탈지 현상으로 인한 기공이 줄어들기 때문이다. 트라이모달 철 분말이 60 및 65 vol%인 경우, 도 10의 (a)와 (b)의 SEM 이미지에서 관찰된 바와 같이 과도한 바인더로 인해 높이, 두께 및 외경에서 불균일한 수축을 보였다.
그리고, 트라이모달 철 분말이 65 vol%인 경우, 수축량의 변화가 감소하였고, 트라이모달 철 분말 함량이 70 vol%일 때 편차가 가장 작았다.
결론적으로, 트라이모달 철 분말 함량이 80vol%인 피드스톡의 경우 높은 전단 점도로 인해 노즐로 인쇄하는 것이 불가능하였으며, 75 vol%인 피드스톡은 비교적 안정적인 혼합 토크를 보였으나, SEM 이미지를 통해 분말 사이의 빈 공간에 존재함을 확인하였다. 이 경우, 원하는 모양으로 균일하게 프린팅이 가능했지만, 분말 사이의 빈 공간으로 인해 소결 과정에서 시편이 손상되었으며, 또한, 소결 밀도가 낮고 수축률 편차가 컸다. 60 및 65 vol%인 피드스톡은 혼합 토크가 매우 낮고 변동이 적었으며 바인더 양이 과도했고, 낮은 혼합 토크로 압출이 용이하나 소결 후 밀도가 낮고 수축률 편차가 큰 것을 확인할 수 있다. 결론적으로 70vol%의 피드스톡이 FDM 기반 적층 가공에 가장 최적화된 분말 함량임을 확인할 수 있으며, 70Vol%의 트라이모달 철 분말을 이용한 압출 기반 적층 가공을 수행하여 보다 밀도가 높은 시편을 제조하고 기계적 특성이 개선된 부품을 생산할 수 있는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
110: 금속 산화물 1차 분말
120: 금속 산화물 2차 분말
130: 응집체
140: 바이모달 분말
141: 1차 입자
142: 2차 입자
143: 3차 입자
144: 바인더

Claims (11)

  1. 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법에 있어서,
    금속 산화물 1차 분말을 준비하는 단계;
    상기 금속 산화물 1차 분말을 습식 분쇄하여, 금속 산화물 2차 분말의 슬러리를 제조하는 단계;
    상기 슬러리를 분무 및 건조하여, 상기 금속 산화물 2차 분말이 응집된 응집체를 제조하는 단계;
    상기 응집체를 열처리 환원시켜, 상기 응집체보다 작은 크기의 1차 입자, 및 상기 응집체보다 큰 2차 입자를 동시에 제조하는 단계; 및
    상기 1차 입자 및 상기 2차 입자보다 큰 크기의 3차 입자를, 바인더, 상기 1 차 입자 및 상기 2차 입자와 혼합하여 트라이모달 구조의 피드스톡을 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 응집체는, 상대적으로 작은 크기의 제1 응집체 및 상대적으로 큰 크기의 제2 응집체를 포함하고,
    상기 응집체를 열처리 환원하는 과정에서, 상기 제1 응집체의 금속이 용해되어, 상기 제2 응집체로 이동되고,
    상기 제1 응집체로부터 상기 1차 입자가 형성되고, 상기 제2 응집체로부터 상기 2차 입자가 형성되며,
    상기 제2 응집체의 크기가 증가하여 상기 2차 입자로 정의되고,
    상기 제1 응집체의 크기가 감소하여 상기 1차 입자로 정의되는 것을 포함하는 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 슬러리를 제조하는 단계는,
    메탄올을 매질로 이용한 고에너지 비드밀을 이용하여 수행되는 것을 포함하는 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 응집체는, 수소 분위기에서 열처리 환원되는 것을 포함하는 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 바인더는 왁스계 바인더인 것을 포함하는 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 입자와 상기 바인더의 비율에 따라서, 상기 피드스톡의 점도가 제어되는 것을 포함하는 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물 1차 분말은 철 산화물 분말을 포함하는 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법.
  8. 제1 항에 따른 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법으로 트라이모달 구조의 상기 피드스톡을 제조하는 단계;
    상기 피드스톡을 이용한 압출 방식의 3차원 프린팅 공정으로, 예비 부품을 제조하는 단계;
    상기 예비 부품을 탈지 및 소결하여, 부품을 제조하는 단계를 포함하는 압출 방식의 3차원 프린팅 공정을 이용한 부품의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 입자와 상기 바인더의 비율에 따라서, 상기 부품의 밀도가 제어되는 것을 포함하는 압출 방식의 3차원 프린팅 공정을 이용한 부품의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 바인더는 파라핀 왁스 및 스테아르산을 포함하는 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡의 제조 방법.



KR1020210163839A 2020-11-24 2021-11-24 압출 방식의 3차원 프린팅 공정용 피드스톡, 그 제조 방법, 및 이를 이용한 3차원 프린팅 공정 KR102571635B1 (ko)

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