KR102625404B1 - 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치 및 그 처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치 및 그 처리방법에 관한 것으로, 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스가 공급되는 공정챔버; 상기 공정챔버에 구비되어 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 상기 금속분말의 표면처리를 수행하는 플라즈마토치; 상기 표면처리에 따라 구상화된 구상화 금속분말과 상기 분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 분리시키는 사이클론분리기; 및 분리된 상기 구상화 금속분말을 수집하는 저장용기;를 포함함으로써, 플라즈마 생성영역과 플라즈마 반응영역을 분리하여 금속분말의 표면처리를 효과적으로 수행할 수 있고, 금속분말의 흐름도 향상을 위해 금속분말을 효과적으로 구상화시킬 수 있을 뿐만 아니라 3D 프린팅으로 인해 금속분말의 표면에 부착된 각종 반응물을 클리닝할 수 있다.
Description
본 발명은 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스가 공정챔버의 내부로 공급될 경우 공정챔버에 구비된 플라즈마토치를 통해 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 금속분말의 표면처리를 수행함으로써, 플라즈마 생성영역과 플라즈마 반응영역을 분리하여 금속분말의 표면처리를 효과적으로 수행할 수 있고, 금속분말의 흐름도 향상을 위해 금속분말을 효과적으로 구상화시킬 수 있을 뿐만 아니라 3D 프린팅으로 인해 금속분말의 표면에 부착된 각종 반응물을 클리닝할 수 있는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치 및 그 처리방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 3차원(3D, 3-Dimension) 프린터는 인쇄하고자 하는 대상에 대한 3차원 데이터를 이용하여, 그 대상과 동일 또는 유사한 형태를 갖도록 3차원으로 형상물을 성형하는 장비이다.
이러한 3D 프린터는 과거에는 대량생산 이전의 모델링이나 샘플 제작과 같은 용도로 활용되었으나, 최근에는 다품종 소량생산 제품을 중심으로 양산 가능한 제품의 성형에도 사용될 수 있는 기술적 기반이 조성됨에 따라 다양한 제조업체에서 사용하고 있다.
그리고, 3D 프린터를 이용한 프린팅 기술은 분말, 액체, 와이어, 펠렛 등 다양한 형태의 물질을 한 층씩 쌓아올려 3차원 입체구조를 갖는 제품을 제조하는 기술로서, 이는 기존의 제조가공 기술로서는 구현할 수 없는 복잡한 형상의 부품도 손쉽게 제조할 수 있어 최근 새로운 가공기술로 전세계적 각광을 받고 있다.
한편, 대표적인 금속 3D 프린터는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식, DED(Direct Energy Deposition) 방식, ME(Material Extrusion) 방식, BJ(Binder Jetting) 방식 등으로 구분될 수 있는데, 이 중에서 PBF 방식은 분말(예를 들면, 금속분말 등) 한 층을 깔고 3D 형상의 슬라이스(slice)된 2D 영역에 높은 온도의 에너지원(예를 들면, 레이저빔, 전자빔 등)으로 녹여 붙이는 과정을 반복하여 3D 형상을 조형하는 기술을 의미하며, 현재 금속 3D 프린터는 PBF 방식으로 가장 많이 사용되고 있다.
상술한 바와 같은 PBF 방식의 금속 3D 프린터로 출력된 성형물은 출력된 후에 금속분말 속에 파묻혀 있는 상태이기 때문에, 성형물을 에워싼 금속분말을 회수하는 작업이 수행될 수 있다.
그리고, 회수된 금속분말은 큰 입자를 체(sieve)로 걸러낸 후, 다시 3D 프린터에 공급되어 재사용될 수 있는데, 이렇게 회수된 금속분말은 3D 프린팅 과정에서 더 큰 분말 입자에 부착된 위성 분말(satellite powder)이 분리되기 시작하여 더 작은 단일 입자를 형성하거나, 분말 입자가 서로 융합하여 응집체(aggregate)를 형성하거나, 응집체 입자가 불완전한 미세입자로 부서질 수 있다.
이것은 분말의 유동성(fluidity)과 벌크 밀도에 영향을 미쳐 분말의 입자 크기 분포를 더 넓게 만들고, 분말의 산소 함량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 최종 제품의 특성에 영향을 미치는 화학조성, 크기분포, 공극률, 유동성, 형상 및 겉보기밀도 측면에서 금속분말재료의 특성에 대한 고유한 요구사항을 충족시키지 못할 경우 재사용 시 금속분말의 퇴화(degradation)와 흐름도(flow rate)가 나빠져서 3D 프린팅 성형물의 내부에 기공 및 불순물을 형성함으로써, 품질이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 금속 3D 프린팅에 사용되는 금속분말의 가격은 상대적으로 매우 비싼 것으로 알려져 있는데, 특히 항공우주, 국방, 바이오메티컬 등의 분야에 적용하기 위해서 설계된 특수금속분말은 더욱 더 비싸다. 따라서, 3D 프린팅용 금속분말을 재사용하곤 하는데, 금속분말의 재사용성을 향상시키기 위해서 3D 프린팅을 수행하기 전에 새로운 금속분말과 회수한 금속분말을 혼합하고, 혼합된 금속분말을 이용하여 3D 프린팅을 수행하는 방식이 널리 이용되고 있다.
이와 같이 금속분말을 혼합함으로써, 금속분말의 산소함량을 감소시키고, 분말의 입자크기분포 및 부피밀도와 같은 물리적특성을 조정할 수는 있지만, 확립된 혼합표준이 없기 때문에, 사용자가 최적의 혼합비율을 결정하는데 경험에 의존하고 있는 실정이다.
본 발명은 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스가 공정챔버의 내부로 공급될 경우 공정챔버에 구비된 플라즈마토치를 통해 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 금속분말의 표면처리를 수행함으로써, 플라즈마 생성영역과 플라즈마 반응영역을 분리하여 금속분말의 표면처리를 효과적으로 수행할 수 있고, 금속분말의 흐름도 향상을 위해 금속분말을 효과적으로 구상화시킬 수 있을 뿐만 아니라 3D 프린팅으로 인해 금속분말의 표면에 부착된 각종 반응물을 클리닝할 수 있는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치 및 그 처리방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스가 공급되는 공정챔버; 상기 공정챔버에 구비되어 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 상기 금속분말의 표면처리를 수행하는 플라즈마토치; 상기 표면처리에 따라 구상화된 구상화 금속분말과 상기 분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 분리시키는 사이클론분리기; 및 분리된 상기 구상화 금속분말을 수집하는 저장용기;를 포함하는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 플라즈마토치는, 하단부로 갈수록 직경이 감소하는 원뿔형태를 가지면서 상기 금속분말 및 분말이송가스가 중앙부에 구비되는 제 1 중공부로 공급되며, 제 1-1 냉각채널이 구비된 제 1 음전극체; 상기 제 1 음전극체를 감싸는 원통관형태를 가지면서 상기 제 1 음전극체의 외주면에 대응하여 경사지게 기 설정된 간격만큼 이격되면서 상기 플라즈마발생가스가 공급되어 제 1 플라즈마 생성영역이 구비되며, 제 1-2 냉각채널이 구비된 제 1 양전극체; 상기 제 1 음전극체 및 제 1 양전극체의 외부 표면에 구비되는 제 1 절연체; 및 상기 제 1 음전극체 및 제 1 양전극체와 전기적으로 연결되어 상기 플라즈마를 발생시키는 전력을 공급하는 제 1 전원공급수단;을 포함하는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 플라즈마토치는, 원통관형태로 제공되며, 제 2-1 냉각채널이 구비된 제 2 음전극체; 상기 금속분말 및 분말이송가스가 중앙부에 구비되는 제 2 중공부로 공급되며, 상기 제 2 음전극체가 삽입되고 상기 플라즈마발생가스가 공급되도록 상단부는 상기 제 2 음전극체의 직경에 대응하여 원통형경로를 가지면서 하단부는 원뿔형경로를 가지는 제 2 플라즈마 생성영역이 구비되며, 제 2-2 냉각채널이 구비된 제 2 양전극체; 상기 제 2 양전극체의 외부 표면에 구비되는 제 2 절연체; 및 상기 제 2 음전극체 및 제 2 양전극체와 전기적으로 연결되어 상기 플라즈마를 발생시키는 전력을 공급하는 제 2 전원공급수단;을 포함하는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 금속분말 처리장치는, 상기 사이클론분리기의 후단에 결합되어 상대적으로 더 작은 크기의 분말을 분리시키는 적어도 하나의 추가사이클론분리기; 및 상기 추가사이클론분리기를 통해 분리시킨 분말을 수집하는 적어도 하나의 추가저장용기;를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 공정챔버로 공급하는 단계; 상기 공정챔버에 구비되는 플라즈마토치의 전극체내부영역에서 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 상기 금속분말의 표면처리를 수행하는 단계; 상기 표면처리에 따라 구상화된 구상화 금속분말과 상기 분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 사이클론분리기를 통해 분리시키는 단계; 및 분리된 상기 구상화 금속분말을 저장용기에 수집하는 단계:를 포함하는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 플라즈마토치는, 하단부로 갈수록 직경이 감소하는 원뿔형태를 가지면서 상기 금속분말 및 분말이송가스가 중앙부에 구비되는 제 1 중공부로 공급되며, 제 1-1 냉각채널이 구비된 제 1 음전극체가 구비되고, 상기 제 1 음전극체를 감싸는 원통관형태를 가지면서 상기 제 1 음전극체의 외주면에 대응하여 경사지게 기 설정된 간격만큼 이격되면서 상기 플라즈마발생가스가 공급되어 제 1 플라즈마 생성영역이 구비되며, 제 1-2 냉각채널이 구비된 제 1 양전극체가 구비되며, 상기 제 1 음전극체 및 제 1 양전극체의 외부 표면에 구비되는 제 1 절연체가 구비되고, 상기 제 1 음전극체 및 제 1 양전극체와 전기적으로 연결되어 전력을 공급하는 제 1 전원공급수단이 구비되는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 플라즈마토치는, 원통관형태로 제공되며, 제 2-1 냉각채널이 구비된 제 2 음전극체가 구비되고, 상기 금속분말 및 분말이송가스가 중앙부에 구비되는 제 2 중공부로 공급되며, 상기 제 2 음전극체가 삽입되고 상기 플라즈마발생가스가 공급되도록 상단부는 상기 제 2 음전극체의 직경에 대응하여 원통형경로를 가지면서 하단부는 원뿔형경로를 가지는 제 2 플라즈마 생성영역이 구비되며, 제 2-2 냉각채널이 구비된 제 2 양전극체가 구비되며, 상기 제 2 양전극체의 외부 표면에 구비되는 제 2 절연체가 구비되고, 상기 제 2 음전극체 및 제 2 양전극체와 전기적으로 연결되어 전력을 공급하는 제 2 전원공급수단이 구비되는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 플라즈마를 이용한 금속분말 처리방법은, 상기 저장용기에 수집하는 단계 이후에, 상기 금속분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 순환시켜 재사용하는 단계;를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리방법이 제공될 수 있다.
본 발명은 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스가 공정챔버의 내부로 공될 경우 공정챔버에 구비된 플라즈마토치를 통해 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 금속분말의 표면처리를 수행함으로써, 플라즈마 생성영역과 플라즈마 반응영역을 분리하여 금속분말의 표면처리를 효과적으로 수행할 수 있고, 금속분말의 흐름도 향상을 위해 금속분말을 효과적으로 구상화시킬 수 있을 뿐만 아니라 3D 프린팅으로 인해 금속분말의 표면에 부착된 각종 반응물을 클리닝할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치를 예시한 도면이고,
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치에 구비되는 플라즈마토치의 다양한 형태를 설명하기 위한 도면이고,
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치의 다른 형태에 대해 설명하기 위한 도면이며,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 플라즈마를 이용하여 금속분말을 처리하는 과정을 나타낸 플로우차트이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치에 구비되는 플라즈마토치의 다양한 형태를 설명하기 위한 도면이고,
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치의 다른 형태에 대해 설명하기 위한 도면이며,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 플라즈마를 이용하여 금속분말을 처리하는 과정을 나타낸 플로우차트이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치를 예시한 도면이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치에 구비되는 플라즈마토치의 다양한 형태를 설명하기 위한 도면이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치의 다른 형태에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치는 공정챔버(100), 플라즈마토치(200), 사이클론분리기(300), 저장용기(400) 등을 포함할 수 있다.
공정챔버(100)는 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스가 공급되어 금속분말의 구상화 및 클리닝이 수행되는 챔버로서, 내외부가 밀폐된 상태로 유지될 수 있으며, 필요에 따라 진공상태로 유지될 수 있는데, 대략 10-3 Torr의 압력범위로 유지시킬 수 있도록 진공펌프(도시 생략됨)를 구비할 수 있으며, 이러한 진공펌프는 예를 들면, 부스터펌프, 로터리펌프 등을 포함할 수 있다.
이러한 공정챔버(100)에는 3D 프린팅 작업 후에 회수된 금속분말이 투입되면서 분말이송가스(예를 들면, 아르곤(Ar)가스, 질소(N2)가스 등) 및 플라즈마발생가스(예를 들면, 아르곤(Ar)가스, 질소(N2)가스, 헬륨(He)가스, 혼합가스 등)가 함께 공급될 수 있는데, 이들은 플라즈마토치(200)의 내부로 공급될 수 있다.
플라즈마토치(200)는 공정챔버(100)에 구비되어 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마(즉, 열플라즈마)를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 금속분말의 표면처리를 수행할 수 있는데, 열플라즈마는 아크방전을 통해 발생시킨 전자, 이온 및 중성입자로 구성된 기체로서, 구성입자가 1000-20000 ℃의 온도범위와 100-2000 m/s의 속도범위를 갖도록 출사될 수 있다.
여기에서, 열플라즈마가 발생되는 전극체내부영역(즉, 플라즈마 생성영역)에는 플라즈마발생가스가 공급되고, 이를 통해 발생되는 열플라즈마는 중앙분사영역(즉, 플라즈마 반응영역)의 방향을 향해 고깔형태로 출사될 수 있다.
상술한 바와 같은 플라즈마토치(200)의 일 형태에서는, 도 2에 도시한 바와 같이 제 1 음전극체(210a), 제 1 양전극체(220a), 제 1 절연체(230a), 제 1 전원공급수단(240a) 등을 포함할 수 있다.
여기에서, 제 1 음전극체(210a)는 하단부로 갈수록 직경이 감소하는 원뿔형태를 가지면서 금속분말 및 분말이송가스가 중앙부에 구비되는 제 1 중공부(211a)로 공급될 수 있으며, 제 1 전원공급수단(240a)에 전기적으로 연결되어 전력이 공급될 수 있다.
여기에서, 제 1 중공부(211a)는 제 1 음전극체(210a)의 중앙부 상부에서 하부로 관통 형성될 수 있는데, 공정챔버(100)의 내부로 투입되어 중앙부 상부로 공급되는 금속분말 및 분말이송가스가 제 1 음전극체(210a)의 하부에 위치하는 제 1 플라즈마 반응영역(B1)으로 이송될 수 있다.
또한, 제 1 음전극체(210a)는 내부에 수냉구조의 제 1-1 냉각채널(212a)이 구비될 수 있는데, 이러한 제 1-1 냉각채널(212a)은 내부에 냉매가 순환되도록 제어함으로써, 플라즈마공정이 수행되는 중에 플라즈마의 발생으로 인해 가열된 제 1 음전극체(210a)를 안정적이고 빠르게 냉각시킬 수 있다.
그리고, 제 1 양전극체(220a)는 제 1 음전극체(210a)를 감싸는 원통관형태를 가지면서 제 1 음전극체(210a)의 외주면에 대응하여 경사지게 기 설정된 간격만큼 이격되어 제 1 플라즈마 생성영역(A1)이 구비될 수 있으며, 제 1 전원공급수단(240a)에 전기적으로 연결되어 전력이 공급될 수 있다.
이러한 제 1 플라즈마 생성영역(A1)은 제 1 음전극체(210a) 및 제 1 양전극체(220a)가 이격된 사이공간을 따라 균일한 직경 또는 변화되는 직경(즉, 상대적으로 넓은 직경에서 좁아지다가 다시 넓어지는 형태)으로 형성될 수 있는데, 이 경로상에 발생된 플라즈마는 플라즈마발생가스와 함께 제 1 음전극체(210a) 및 제 1 양전극체(220a)의 하부 중앙부를 향해 경사지게 출사될 수 있으며, 이 중앙분사영역(즉, 제 1 플라즈마 반응영역(B1))으로 이송되는 금속분말(도 3의 (a))을 플라즈마처리하여 금속분말을 구상화함과 동시에 그 분말표면을 클리닝(도 3의 (b))할 수 있다.
상술한 바와 같이 플라즈마 생성영역과 반응영역을 구분하여 플라즈마를 안정적으로 생성시킬 수 있고, 금속분말과의 반응을 일정하게 유지할 수 있도록 도 4에 도시한 바와 같이 제 1 음전극체(210a) 및 제 1 양전극체(220a)가 이루는 제 1 플라즈마 생성영역(A1)이 경사진 원통관형태로 형성됨으로써, 제 1 플라즈마 반응영역(B1)으로 출사되는 플라즈마는 고깔형태로 출사될 수 있다.
그리고, 제 1 양전극체(220a)는 내부에 수냉구조의 제 1-2 냉각채널(221a)이 구비될 수 있는데, 이러한 제 1-2 냉각채널(221a)은 내부에 냉매가 순환되도록 제어함으로써, 플라즈마공정이 수행되는 중에 플라즈마의 발생으로 인해 가열된 제 1 양전극체(220a)를 안정적이고 빠르게 냉각시킬 수 있다.
또한, 제 1 절연체(230a)는 제 1 음전극체(210a) 및 제 1 양전극체(220a)의 외부 표면에 구비될 수 있는데, 제 1 중공부(211a) 및 제 1 음전극체(210a)가 접하는 면과 제 1 양전극체(220a)의 외부면에 코팅되어 내외부를 절연시킬 수 있으며, 이를 통해 플라즈마반응으로 전극으로부터 떨어져 나온 이온에 의해 금속분말이 오염되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
여기에서, 제 1 절연체(230a)는 예를 들면, 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 질화붕소(boron nitride), 질화알루미늄(aluminum nitride), 뮬라이트(mullite) 및 희토류 세라믹(rare earth ceramic) 중에서 선택된 적어도 하나를 사용할 수 있다.
한편, 제 1 전원공급수단(240a)은 제 1 음전극체(210a) 및 제 1 양전극체(220a)와 전기적으로 연결되어 플라즈마를 발생시키는 전력을 공급할 수 있다.
상술한 바와 같은 플라즈마토치(200)의 다른 형태에서는, 도 5에 도시한 바와 같이 제 2 음전극체(210b), 제 2 양전극체(220b), 제 2 절연체(230b), 제 2 전원공급수단(240b) 등을 포함할 수 있다.
여기에서, 제 2 음전극체(210b)는 원통관형태로 제공될 수 있는데, 제 2 양전극체(220b)에 구비되는 제 2 플라즈마 생성영역(A2)의 내부에 삽입 배치될 수 있도록 제 2 플라즈마 생성영역(A2)에 대응되는 직경 및 두께로 제공될 수 있으며, 제 2 전원공급수단(240b)에 전기적으로 연결되어 전력이 공급될 수 있다.
그리고, 제 2 음전극체(210b)는 내부에 수냉구조의 제 2-1 냉각채널(211b)이 구비될 수 있는데, 이러한 제 2-1 냉각채널(211b)은 내부에 냉매가 순환되도록 제어함으로써, 플라즈마공정이 수행되는 중에 플라즈마의 발생으로 인해 가열된 제 2 음전극체(210b)를 안정적이고 빠르게 냉각시킬 수 있다.
또한, 제 2 양전극체(220b)는 금속분말 및 분말이송가스가 중앙부에 구비되는 제 2 중공부(221b)로 공급되며, 제 2 음전극체(210b)가 삽입되도록 상단부는 제 2 음전극체(210b)의 직경에 대응하여 원통형경로를 가지면서 하단부는 원뿔형경로를 가지는 제 2 플라즈마 생성영역(A2)이 구비될 수 있으며, 제 2 전원공급수단(240b)에 전기적으로 연결되어 전력이 공급될 수 있다.
이러한 제 2 플라즈마 생성영역(A2)에서는 상단부 원통형경로 상에서 플라즈마가 발생될 수 있고, 하단부 원뿔형경로를 따라 제 1 양전극체(220a)의 하부 중앙부를 향해 플라즈마가 경사지게 출사될 수 있으며, 이 중앙분사영역(즉, 제 2 플라즈마 반응영역(B2))으로 이송되는 금속분말을 플라즈마처리하여 금속분말을 구상화함과 동시에 그 분말표면을 클리닝할 수 있다.
상술한 바와 같이 플라즈마 생성영역과 반응영역을 구분하여 플라즈마를 안정적으로 생성시킬 수 있고, 금속분말과의 반응을 일정하게 유지할 수 있도록 제 2 양전극체(220b)의 내부에 형성되는 제 2 플라즈마 생성영역(A2)의 하단부가 원뿔형경로로 형성됨으로써, 제 2 플라즈마 반응영역(B2)으로 출사되는 플라즈마는 고깔형태로 출사될 수 있다.
그리고, 제 2 양전극체(220b)는 내부에 수냉구조의 제 2-2 냉각채널(222b)이 구비될 수 있는데, 이러한 제 2-2 냉각채널(222b)은 내부에 냉매가 순환되도록 제어함으로써, 플라즈마공정이 수행되는 중에 플라즈마의 발생으로 인해 가열된 제 2 양전극체(220a)를 안정적이고 빠르게 냉각시킬 수 있다.
또한, 제 2 절연체(230b)는 제 2 양전극체(220b)의 외부 표면에 구비될 수 있는데, 제 2 중공부(221b) 및 제 2 양전극체(220b)가 접하는 면과 제 2 양전극체(220b)의 외부면에 코팅되어 내외부를 절연시킬 수 있으며, 이를 통해 플라즈마반응으로 전극으로부터 떨어져 나온 이온에 의해 금속분말이 오염되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
여기에서, 제 2 절연체(230b)는 예를 들면, 알루미나, 지르코니아, 질화붕소, 질화알루미늄, 뮬라이트 및 희토류 세라믹 중에서 선택된 적어도 하나를 사용할 수 있다.
한편, 제 2 전원공급수단(240b)은 제 2 음전극체(210b) 및 제 2 양전극체(220b)와 전기적으로 연결되어 플라즈마를 발생시키는 전력을 공급할 수 있다.
상술한 바와 같은 플라즈마토치(200)의 각 음전극체와 각 양전극체에 구비되는 수냉채널은 도 2 및 도 3에 각 전극체 내부에 원형경로를 갖는 것으로 하여 도시되어 있지만, 직선형 경로를 가지면서 격벽을 기준으로 입력방향과 출력방향이 구분되는 형태로 구비될 수 있을 뿐만 아니라 종래에 개시된 수냉채널 중 적용 가능한 구조를 선택하여 적용할 수 있음은 물론이다.
사이클론분리기(300)는 표면처리에 따라 구상화된 구상화 금속분말을 플라즈마발생가스 및 분말이송가스와 분리시키는 것으로, 원통형의 몸체를 가지면서 직경이 하방으로 갈수록 점차 감소하도록 구비되며, 원심력에 따른 선회운동(turning movement)과 동시에 중력에 따라 낙하하면서 나선형(spiral) 형태를 나타내어 외부선회류 흐름을 유지할 수 있다.
이러한 사이클론분리기(300)의 하단부 역삼각형 지점에 도달하면 분말입자의 분리현상이 발생하고, 무게에 따라 하부에 위치하는 저장용기(400)로 이동할 수 있다.
이러한 금속분말의 입자크기는 PBF(powder bed fusion)방식의 3D 프린팅을 위한 원료분말로 사용하기 위해서 대략 15-45 ㎛의 크기범위를 가질 수 있으며, DED(direct energy deposition)방식의 경우에는 대략 45-150 ㎛의 크기범위를 가질 수 있다.
이러한 사이클론분리기(300)는 상대적으로 작은 무게를 갖는 금속분말은 반전 유체 흐름을 통해 내부 원통관을 따라 내부선회류를 형성하여 금속분말을 분리시킨 가스(예를 들면, 분말이송가스, 플라즈마발생가스 등을 포함함)와 함께 배출될 수 있다.
저장용기(400)는 사이클론분리기(300)를 통해 분리된 구상화 금속분말을 수집하는 것으로, 사이클론분리기(300)의 하부에 구비되어 사이클론분리기(300)를 통해 분리되어 하향 이동하는 구상화 금속분말을 수집 및 저장할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치는 도 6에 도시한 바와 같이 적어도 하나의 추가사이클론분리기(300A), 적어도 하나의 추가저장용기(400A) 등을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 적어도 하나의 추가사이클론분리기(300A)는 사이클론분리기(300)의 후단에 결합되어 상대적으로 더 작은 크기의 분말을 분리시킬 수 있는데, 상술한 바와 같은 사이클론분리기(300)에서 금속분말과 가스를 분리하여 분리된 금속분말을 1차 수집한 후에, 추가적으로 상대적으로 더 작은 무게의 금속분말을 수집하기 위해 추가사이클론분리기(300A)를 더 구비할 수 있으며, 이러한 추가사이클론분리기(300A)를 통해 1차 수집된 금속분말의 크기보다 상대적으로 더 작은 크기(예를 들면, 1-10 ㎛ 등)의 금속분말을 2차 분리할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 추가저장용기(400A)는 추가사이클론분리기(300A)를 통해 분리시킨 분말을 수집하는 것으로, 추가사이클론분리기(300A)가 구비될 경우 추가로 구비될 수 있으며, 이를 통해 1차 수집된 금속분말의 크기보다 상대적으로 더 작은 크기(예를 들면, 1-10 ㎛ 등)의 금속분말을 2차 수집할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치는 도 7에 도시한 바와 같이 사이클론분리기(300)의 후단에는 금속분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 순환시켜 회수한 후 재사용하기 위해 가스 리사이클링(gas recycling)을 위한 장치들이 추가로 구비될 수 있는데, 사이클론분리기(300)를 통해 분리된 미세분말과 분말이송가스 및 플라즈마발생가스는 백챔버(510)로 이동되고, 미세분말은 백챔버(510)의 하부에 위치하는 백챔버용기(520)에 수거될 수 있으며, 이중 극미세분말 및 분진은 백챔버(510) 내부에 구비되는 적어도 하나의 집진필터를 통해 제거될 수 있다.
이 후, 미세분말과 분리된 분말이송가스 및 플라즈마발생가스는 블로워(530)를 통해 리사이클링 라인으로 유동시켜 버퍼탱크(540)로 유입시킬 수 있으며, 버퍼탱크(540)에 유입되어 일시적으로 저장되는 불활성가스는 기 설정된 유량만큼 압축기(550)로 공급되고, 압축기(550)는 공급되는 불활성가스를 균일하게 압축한 후에, 다시 공급가스탱크(560)로 공급함으로써, 리사이클링된 불활성가스는 공정챔버(100)에 공급하기 위해 공급가스탱크(560)에 저장될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스가 공정챔버의 내부로 공급될 경우 공정챔버에 구비된 플라즈마토치를 통해 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 금속분말의 표면처리를 수행함으로써, 플라즈마 생성영역과 플라즈마 반응영역을 분리하여 금속분말의 표면처리를 효과적으로 수행할 수 있고, 금속분말의 흐름도 향상을 위해 금속분말을 효과적으로 구상화시킬 수 있을 뿐만 아니라 3D 프린팅으로 인해 금속분말의 표면에 부착된 각종 반응물을 클리닝할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 플라즈마를 이용하여 금속분말을 처리하는 과정을 나타낸 플로우차트이다.
도 8을 참조하면, 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 공정챔버(100)로 공급할 수 있다(단계810).
이러한 공정챔버(100)는 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스가 공급되어 금속분말의 구상화 및 클리닝이 수행되는 챔버로서, 내외부가 밀폐된 상태로 유지될 수 있으며, 필요에 따라 진공상태로 유지될 수 있는데, 대략 10-3 Torr의 압력범위로 유지시킬 수 있도록 진공펌프(도시 생략됨)를 구비할 수 있으며, 이러한 진공펌프는 예를 들면, 부스터펌프, 로터리펌프 등을 포함할 수 있다.
또한, 공정챔버(100)에는 3D 프린팅 작업 후에 회수되는 금속분말이 투입되면서 분말이송가스(예를 들면, 아르곤(Ar)가스, 질소(N2)가스 등) 및 플라즈마발생가스(예를 들면, 아르곤(Ar)가스, 질소(N2)가스, 헬륨(He)가스, 혼합가스 등)가 함께 공급될 수 있는데, 이들은 플라즈마토치(200)의 내부로 공급될 수 있다.
그리고, 공정챔버(100)에 구비되는 플라즈마토치(200)의 전극체내부영역에서 플라즈마를 발생시킬 수 있으며(단계820), 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 금속분말의 표면처리를 수행할 수 있다(단계830).
이를 위해 플라즈마토치(200)에서는 공정챔버(100)에 구비되어 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마(즉, 열플라즈마)를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 금속분말의 표면처리를 수행할 수 있는데, 열플라즈마는 아크방전을 통해 발생시킨 전자, 이온 및 중성입자로 구성된 기체로서, 구성입자가 1000-20000 ℃의 온도범위와 100-2000 m/s의 속도범위를 갖도록 출사될 수 있다.
이를 위해 플라즈마토치(200)의 일 형태에서는, 제 1 음전극체(210a), 제 1 양전극체(220a), 제 1 절연체(230a), 제 1 전원공급수단(240a) 등을 포함할 수 있다.
그리고, 플라즈마토치(200)의 다른 형태에서는, 제 2 음전극체(210b), 제 2 양전극체(220b), 제 2 절연체(230b), 제 2 전원공급수단(240b) 등을 포함할 수 있다.
또한, 플라즈마토치(200)의 또 다른 형태에서는, 제 3 음전극체(210c), 복수의 제 3 양전극체(220c), 제 3 절연체(230c), 제 3 전원공급수단(240c), 내부튜브(250c), 외부튜브(260c) 등을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 일 형태, 다른 형태 및 또 다른 형태의 구체적인 설명에 대해서는 본 발명의 일 실시예에서 상세하게 설명하였으므로 여기에서는 생략하기로 한다.
다음에, 표면처리에 따라 구상화된 구상화 금속분말과 분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 사이클론분리기(300)를 통해 분리시킬 수 있다(단계840).
이러한 사이클론분리기(300)에서는 원통형의 몸체를 가지면서 직경이 하방으로 갈수록 점차 감소하도록 구비되며, 원심력에 따른 선회운동과 동시에 중력에 따라 낙하하면서 나선형 형태를 나타내어 외부선회류 흐름을 유지할 수 있다.
이러한 사이클론분리기(300)의 하단부 역삼각형 지점에 도달하면 분말입자의 분리현상이 발생하고, 무게에 따라 하부에 위치하는 저장용기(400)로 이동할 수 있다.
이러한 금속분말의 입자크기는 PBF방식의 3D 프린팅을 위한 원료분말로 사용하기 위해서 대략 15-45 ㎛의 크기범위를 가질 수 있으며, DED방식의 경우에는 대략 45-150 ㎛의 크기범위를 가질 수 있다.
이러한 사이클론분리기(300)는 상대적으로 작은 무게를 갖는 금속분말은 반전 유체 흐름을 통해 내부 원통관을 따라 내부선회류를 형성하여 금속분말을 분리시킨 가스(예를 들면, 분말이송가스, 플라즈마발생가스 등을 포함함)와 함께 배출될 수 있다.
이어서, 분리된 상기 구상화 금속분말을 저장용기(400)에 수집할 수 있다(단계850). 이러한 저장용기(400)에서는 사이클론분리기(300)의 하부에 구비되어 사이클론분리기(300)를 통해 분리되어 하향 이동하는 구상화 금속분말을 수집 및 저장할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에서는 사이클론분리기(300)와 저장용기(400)만을 구비하는 것으로 하여 설명하였지만, 적어도 하나의 추가사이클론분리기(300A), 적어도 하나의 추가저장용기(400A) 등을 더 포함할 수 있다.
한편, 사이클론분리기(300)의 후단과 공정챔버(100)가 연통되어 금속분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 순환시켜 회수한 후 재사용할 수 있다(단계860).
여기에서, 사이클론분리기(300)의 후단에는 가스 리사이클링(gas recycling)을 위한 장치들이 추가로 구비될 수 있는데, 사이클론분리기(300)를 통해 분리된 미세분말과 분말이송가스 및 플라즈마발생가스는 백챔버(510)로 이동되고, 미세분말은 백챔버(510)의 하부에 위치하는 백챔버용기(520)에 수거될 수 있으며, 이중 극미세분말 및 분진은 백챔버(510) 내부에 구비되는 적어도 하나의 집진필터를 통해 제거될 수 있다.
이 후, 미세분말과 분리된 분말이송가스 및 플라즈마발생가스는 블로워(530)를 통해 리사이클링 라인으로 유동시켜 버퍼탱크(540)로 유입시킬 수 있으며, 버퍼탱크(540)에 유입되어 일시적으로 저장되는 불활성가스는 기 설정된 유량만큼 압축기(550)로 공급되고, 압축기(550)는 공급되는 불활성가스를 균일하게 압축한 후에, 다시 공급가스탱크(560)로 공급함으로써, 리사이클링된 불활성가스는 공정챔버(100)에 공급하기 위해 공급가스탱크(560)에 저장될 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스가 공정챔버의 내부로 공급될 경우 공정챔버에 구비된 플라즈마토치를 통해 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 금속분말의 표면처리를 수행함으로써, 플라즈마 생성영역과 플라즈마 반응영역을 분리하여 금속분말의 표면처리를 효과적으로 수행할 수 있고, 금속분말의 흐름도 향상을 위해 금속분말을 효과적으로 구상화시킬 수 있을 뿐만 아니라 3D 프린팅으로 인해 금속분말의 표면에 부착된 각종 반응물을 클리닝할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100 : 공정챔버
200 : 플라즈마토치
300 : 사이클론분리기
400 : 저장용기
200 : 플라즈마토치
300 : 사이클론분리기
400 : 저장용기
Claims (8)
- 삭제
- 삭제
- 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스가 공급되는 공정챔버;
상기 공정챔버에 구비되어 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 상기 금속분말의 표면처리를 수행하는 플라즈마토치;
상기 표면처리에 따라 구상화된 구상화 금속분말과 상기 분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 분리시키는 사이클론분리기; 및
분리된 상기 구상화 금속분말을 수집하는 저장용기;를 포함하며,
상기 플라즈마토치는,
원통관형태로 제공되며, 제 2-1 냉각채널이 구비된 제 2 음전극체;
상기 금속분말 및 분말이송가스가 중앙부에 구비되는 제 2 중공부로 공급되며, 상기 제 2 음전극체가 삽입되고 상기 플라즈마발생가스가 공급되도록 상단부는 상기 제 2 음전극체의 직경에 대응하여 원통형경로를 가지면서 하단부는 원뿔형경로를 가지는 제 2 플라즈마 생성영역이 구비되며, 제 2-2 냉각채널이 구비된 제 2 양전극체;
상기 제 2 양전극체의 외부 표면에 구비되는 제 2 절연체; 및
상기 제 2 음전극체 및 제 2 양전극체와 전기적으로 연결되어 상기 플라즈마를 발생시키는 전력을 공급하는 제 2 전원공급수단;을 포함하고,
상기 플라즈마는,
구성입자가 1000-20000 ℃의 온도범위와 100-2000 m/s의 속도범위를 갖도록 출사되되, 상기 제 2 중공부를 따라 상단부는 상기 제 2 음전극체의 직경에 대응하여 원통형경로를 가지면서 하단부는 원뿔형경로를 갖도록 형성되는 제 2 플라즈마 생성영역의 상기 원통형경로 상에서 발생되어 상기 원뿔형경로를 통해 상기 제 2 양전극체의 하부 중앙부에 형성되는 제 2 플라즈마반응영역을 향해 경사지게 출사되며,
상기 제 2 절연체는,
알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 질화붕소(boron nitride), 질화알루미늄(aluminum nitride), 뮬라이트(mullite) 및 희토류 세라믹(rare earth ceramic) 중에서 선택된 적어도 하나를 사용하되, 플라즈마반응으로 전극으로부터 떨어져 나온 이온에 의해 금속분말이 오염되는 것을 방지할 수 있도록 상기 제 2 중공부 및 제 2 양전극체가 접하는 면과 상기 제 2 양전극체의 외부면에 코팅되는
플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 금속분말 처리장치는,
상기 사이클론분리기의 후단에 결합되어 상대적으로 더 작은 크기의 분말을 분리시키는 적어도 하나의 추가사이클론분리기; 및
상기 추가사이클론분리기를 통해 분리시킨 분말을 수집하는 적어도 하나의 추가저장용기;
를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치.
- 삭제
- 삭제
- 금속분말, 분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 공정챔버로 공급하는 단계;
상기 공정챔버에 구비되는 플라즈마토치의 전극체내부영역에서 플라즈마를 발생시키는 단계;
상기 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 중앙분사영역으로 공급되는 상기 금속분말의 표면처리를 수행하는 단계;
상기 표면처리에 따라 구상화된 구상화 금속분말과 상기 분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 사이클론분리기를 통해 분리시키는 단계; 및
분리된 상기 구상화 금속분말을 저장용기에 수집하는 단계:를 포함하며,
상기 플라즈마토치는,
원통관형태로 제공되며, 제 2-1 냉각채널이 구비된 제 2 음전극체가 구비되고, 상기 금속분말 및 분말이송가스가 중앙부에 구비되는 제 2 중공부로 공급되며, 상기 제 2 음전극체가 삽입되고 상기 플라즈마발생가스가 공급되도록 상단부는 상기 제 2 음전극체의 직경에 대응하여 원통형경로를 가지면서 하단부는 원뿔형경로를 가지는 제 2 플라즈마 생성영역이 구비되며, 제 2-2 냉각채널이 구비된 제 2 양전극체가 구비되며, 상기 제 2 양전극체의 외부 표면에 구비되는 제 2 절연체가 구비되고, 상기 제 2 음전극체 및 제 2 양전극체와 전기적으로 연결되어 전력을 공급하는 제 2 전원공급수단이 구비되며,
상기 플라즈마는,
구성입자가 1000-20000 ℃의 온도범위와 100-2000 m/s의 속도범위를 갖도록 출사되되, 상기 제 2 중공부를 따라 상단부는 상기 제 2 음전극체의 직경에 대응하여 원통형경로를 가지면서 하단부는 원뿔형경로를 갖도록 형성되는 제 2 플라즈마 생성영역의 상기 원통형경로 상에서 발생되어 상기 원뿔형경로를 통해 상기 제 2 양전극체의 하부 중앙부에 형성되는 제 2 플라즈마반응영역을 향해 경사지게 출사되며,
상기 제 2 절연체는,
알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 질화붕소(boron nitride), 질화알루미늄(aluminum nitride), 뮬라이트(mullite) 및 희토류 세라믹(rare earth ceramic) 중에서 선택된 적어도 하나를 사용하되, 플라즈마반응으로 전극으로부터 떨어져 나온 이온에 의해 금속분말이 오염되는 것을 방지할 수 있도록 상기 제 2 중공부 및 제 2 양전극체가 접하는 면과 상기 제 2 양전극체의 외부면에 코팅되는
플라즈마를 이용한 금속분말 처리방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 플라즈마를 이용한 금속분말 처리방법은,
상기 저장용기에 수집하는 단계 이후에, 상기 분말이송가스 및 플라즈마발생가스를 순환시켜 재사용하는 단계;
를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 금속분말 처리방법.
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| KR1020220165548A KR102625404B1 (ko) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치 및 그 처리방법 |
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| KR1020220165548A KR102625404B1 (ko) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | 플라즈마를 이용한 금속분말 처리장치 및 그 처리방법 |
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