KR102659714B1 - 금속선 기반 적층제조의 일방향 응고 방지 방법 - Google Patents
금속선 기반 적층제조의 일방향 응고 방지 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 금속선 기반 적층제조의 일방향 응고를 방지하는 방법에 있어서: WAAM 장치(20)를 이용하여 매 회 적층한 적층부(15)로 성형품을 형성하는 과정에서, 상기 적층부(15)의 용융된 기지 표면에 일방향 결정립 성장을 방해하는 분산강화용 입자를 분사하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 금속선 기반의 적층제조(WAAM) 과정에서 일방향 결정립 성장을 억제할 뿐 아니라, 분산 강화 효과로 인한 기계적 물성 조절도 가능한 효과를 나타낸다.
이에 따라, 금속선 기반의 적층제조(WAAM) 과정에서 일방향 결정립 성장을 억제할 뿐 아니라, 분산 강화 효과로 인한 기계적 물성 조절도 가능한 효과를 나타낸다.
Description
본 발명은 금속선 기반 적층제조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 금속선 기반의 적층제조(WAAM, Wire Arc Additive Manufacturing)에서 제품의 품질 열화의 원인이 되는 일방향 결정립 성장을 방지하기 위한 금속선 기반 적층제조의 일방향 응고 방지 방법에 관한 것이다.
적층제조(Additive manufacturing, 일명 3D 프린팅)는 3D CAD 디자인에 기반을 둔 새로운 제조 방법으로써 주목받고 있다. 기존에 비해 거의 제한이 없는 디자인 자유도에 의해 다품종 소량생산에 적합한 고부가가치 제품에서 상용화가 급속도로 진행되고 있는 실정이다. 그런데, 고분자 재질의 제품에 대해서는 상용화가 깊이 진행됨에 비해 금속 재질 제품에 대해서는 적용 대상 제품/부품의 재질 및 크기에 따라 제한이 많은 실정이다. 해당 제품의 재질로 만들어진 적층제조 장치 전용의 금속 분말이 있어야 하고, 장치의 운용 범위에 따라 가공 가능한 크기의 한계도 고려해야만 한다.
금속 기반 적층제조 방법 중 금속선 기반 적층제(WAAM, Wire Arc Additive Manufacturing)의 경우 도 1과 같은 방식으로 매 층을 쌓으면서 기존 층의 결정립을 따라 성장하려는 '일방향 결정립 성장' 경향에 의해 제품의 최종 성능이 열화하는 문제점이 대두된다. 도 2를 참조하면, 일방향 결정립 응고는 적층이 진행될수록 점점 조대하게 되어, 제품의 강도와 인성을 저하시키는 요인으로 작용한다.
하기의 한국 등록특허공보 제1736228호는 제조한 금속 조형품에 대해 상변태 열처리를 적어도 1회 이상 실시하는 단계를 포함하여 기계적 성질이 등방성을 갖추어 인장 강도 내지 경도 등과 같은 기계적 성질 향상을 기대한다.
그러나, 이와 같은 상변태 열처리만으로 일방향 결정립 응고를 방지하기 한계성을 보인다.
또 다른 한국 등록특허공보 제1806252호는 금속 분말이 함유된 원료를 이용하여 3차원 프린팅을 수행함으로써, 기계적 물성이 우수하고 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 성형할 수 있는 효과를 기대한다.
그러나, 금속 분말 함유 조성물의 펠렛을 용융하고 가압 사출하여 프린터의 압출 헤드로 공급하는 방식으로서 일방향 결정립 응고 방지가 미흡하다.
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 금속선 기반의 적층제조(WAAM) 과정에서 제품 품질 열화의 주요 원인으로 작용하는 일방향 결정립 성장을 방지하기 위한 금속선 기반 적층제조의 일방향 응고 방지 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속선 기반 적층제조의 일방향 응고를 방지하는 방법에 있어서: WAAM 장치를 이용하여 매 회 적층한 적층부로 성형품을 형성하는 과정에서, 상기 적층부의 용융된 기지 표면에 일방향 결정립 성장을 방해하는 분산강화용 입자를 분사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 분산강화용 입자의 용융 온도는 성형품 재질의 용융 온도의 1.3배 이상으로 선택하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 분산강화용 입자는 알루미나(Al2O3), 타이타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 토륨옥사이드(ThO), 이트리아(Y2O3), 텅스텐 카바이드(WC), 보론나이트라이드(BN) 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 분산강화용 입자 크기는 1회 적층 두께의 2~10% 범위로 투입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 분산강화용 입자는 용융된 기지의 상부 표면적의 0.5~3%를 덮을 정도의 양으로 분사되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 금속선 기반의 적층제조(WAAM) 과정에서 일방향 결정립 성장을 억제할 뿐 아니라, 분산 강화 효과로 인한 기계적 물성 조절도 가능한 효과를 나타낸다.
도 1은 일반적인 금속선 기반의 적층제조(WAAM)를 나타내는 모식도
도 2는 도 1에 의한 일방향 결정립 응고 사례를 나타내는 사진
도 3은 도 1의 일방향 결정립 응고를 해소하기 위한 연구 사례
도 4는 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 장치의 모식도
도 5는 본 발명의 일방향 결정립 성장 억제를 나타내는 모식도
도 2는 도 1에 의한 일방향 결정립 응고 사례를 나타내는 사진
도 3은 도 1의 일방향 결정립 응고를 해소하기 위한 연구 사례
도 4는 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 장치의 모식도
도 5는 본 발명의 일방향 결정립 성장 억제를 나타내는 모식도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 금속선 기반 적층제조의 일방향 응고를 방지하는 방법에 관하여 제안한다. 3D CAD 디자인과 연계되면서 금속선 기반으로 적층제조(WAAM)하는 방식을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 본 발명은 도 2와 같이 용융 금속이 수평으로 적층되는 과정에서 수직으로 일방향 응고가 진행되는 현상을 방지함을 요체로 한다.
본 발명에 따르면 WAAM 장치(20)를 이용하여 매 회 적층한 적층부(15)로 성형품을 형성하는 과정을 거친다. 도 3과 같이 베이스(10) 상에 적층부(15)가 형성되면서 성형품이 완성되며, 양산에 있어서 도 4와 같은 WAAM 장치(20)가 사용될 수 있다. 선박 건조 현장에서 WAAM 장치(20)를 이용한 성형품은 프로펠러를 비롯한 기자재에서 복잡한 선체까지 적용 범위가 확대된다. 다만 성형품의 주요 하자 요인인 적층부(15)의 일방향 응고를 방지하기 위한 양산 기술이 시급하다.
도 3을 참조하면, 매회 적층을 하면서 가압롤러(25)를 사용하여 각 층(layers) 표면의 미세구조를 흐트려 뜨려 다음 층의 응고에 있어서 일방향 응고의 시드(seed)가 되지 않도록 하고 있다. 이는 이전 적층 표면과 내부 기지의 결정립 방향을 단절시켜 다음에 적층되는 액상 금속을 강제로 새로운 응고 시작점에서 비평형 응고가 되도록 하는 방법이라 할 수 있다. 이러한 방법에 의해 적층 방향에 대한 일방향 응고가 감소함이 확인되지만, 양산에 있어서 가압롤러(25)는 현실적으로 적용하기 용이하지 않아 개선을 요한다.
본 발명에 따르면, 상기 적층부(15)의 용융된 기지 표면에 일방향 결정립 성장을 방해하는 분산강화용 입자를 분사하는 것을 특징으로 한다. WAAM 장치(20)는 피딩되는 금속선을 레이저 또는 일렉트론 빔을 열원으로 가열하면서 적층부(15)를 형성한다. 적층부(15)를 형성하는 방식은 종래와 동일성을 유지하지만 매 회 적층 직후의 표면에 분산강화용 입자(40)를 뿌리도록 한다. 도 4에서 열원에 인접하여 분사기(30)가 설치되고, 분사기(30)에는 공급기(35)가 연결된다. 분사기(30)는 노즐에 분사 압력 및 양을 조절하는 기능품을 연결하여 구성된다. 공급기(35)는 분산강화용 입자를 저장하는 탱크에 입자를 압송하는 기능품을 연결하여 구성된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 분산강화용 입자의 용융 온도는 성형품 재질의 용융 온도의 1.3배 이상으로 선택하는 것을 특징으로 한다. 입자의 용융 온도가 성형품, 즉 적층 금속 재료의 용융 온도와 유사하거나 낮을 경우 결정립계 피닝(pinning) 역할을 하지 못하고 기지에 녹아버리게 되어 표면에서의 일방향 응고의 시작점 역할을 할 수 없게 된다. 일방향 응고의 시작점이 생성되지 않으면 전술하듯이 적층부(15)의 층간에 걸쳐 일방향 응고가 진행된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 분산강화용 입자는 알루미나(Al2O3), 타이타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 토륨옥사이드(ThO), 이트리아(Y2O3), 텅스텐 카바이드(WC), 보론나이트라이드(BN) 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다. 성형품의 적층 기지 재료의 재질에 따라 제반 조건에 맞는 분산 강화용 화합물을 선택하여 적용한다. 특히 이트리아(Y2O3)는 적층 금속 재질의 종류에 무관하게 고른 효능을 발현한다. 알루미나(Al2O3), 토륨옥사이드(ThO), 이트리아(Y2O3)는 성형품의 내열성과 내산화성을 높이는 역할도 한다. 분산강화용 입자는 상기 성분을 2가지 이상 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 분산강화용 입자 크기는 1회 적층 두께의 2~10% 범위로 투입되는 것을 특징으로 한다. 분산강화용 입자의 크기는 분말 기반 적층제조(powder-base AM)에 사용되는 분말에 준하는 규격을 적용한다. 분말형 적층제조 상용품을 기준으로 하는 경우 대략 15~30 micron 범위의 크기이다. 입자의 크기가 너무 작으면 기지에 박혀 들어가서 표면에서의 결정립계 피닝(pinning) 효과가 감소할 수 있고, 너무 크면 분산강화용 입자 표면과 기지 재료 사이에서 미접합면 또는 비정합면이 생기면서 결함으로 작용할 가능성이 커지게 된다.
분말 기반 적층제조용 장비를 사용하는 것으로 가정하면, 분말과 비슷한 크기의 분산강화용 입자가 응고의 시작점이 될 경우 열역학적으로 발생할 수 있는 최소 결정립 사이즈와 비슷한 크기가 됨으로써 성형품의 결정립 크기 조절도 가능하게 된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 분산강화용 입자는 용융된 기지의 상부 표면적의 0.5~3%를 덮을 정도의 양으로 분사되는 것을 특징으로 한다. 분사되는 입자는 적층 표면 전체에 가급적 균일하게 분포해야 하는데, 적층 상부 표면적의 0.5~3%를 덮을 정도의 양이 적당하다. 입자의 분사량이 너무 적으면 결정립계 피닝(pinning) 효과가 감소할 것이고, 분사량이 너무 많으면 입자끼리 뭉쳐서 내부 결함으로 작용하게 된다.
어느 경우에나, 전술한 분산강화용 입자의 조건은 성형품을 이루는 금속의 재질에 따라 달라진다.
본 발명에서 분산강화용 입자의 재질은 다음 적층 시 비평형 응고의 시작점이 되면서 동시에 결정립계 피닝(pinning)에 의한 재질 강화 효과도 기대할 수 있다. 이는 기존의 산화물 분산 강화(ODS, Oxide Dispersion Strengthening)와 동일한 효과를 나타내는데, 각 적층의 경계면에서 국부적인 분산강화가 됨으로써, 제품 전체의 강도 증가가 가능하게 된다. 또한 분사하는 입자의 크기 및 분사량을 조절함으로써 강화 정도를 조절할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명은 금속선 기반의 적층제조(WAAM)에 있어서 적층부(15)의 층간 응고가 단절되어 일방향 결정립 성장을 억제함을 알 수 있다. 물론 분산 강화 효과로 인한 기계적 물성 조절도 가능하게 된다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 베이스 15: 적층부
20: WAAM 장치 25: 가압롤러
30: 분사기 35: 공급기
40: 분산강화용 입자
20: WAAM 장치 25: 가압롤러
30: 분사기 35: 공급기
40: 분산강화용 입자
Claims (5)
- 금속선 기반 적층제조의 일방향 응고를 방지하는 방법에 있어서:
WAAM 장치(20)를 이용하여 매 회 적층한 적층부(15)로 성형품을 형성하는 과정에서,
상기 적층부(15)의 용융된 기지 표면에 일방향 결정립 성장을 방해하는 분산강화용 입자를 분사하되,
상기 WAAM 장치(20)는 피딩되는 금속선을 레이저 또는 일렉트론 빔을 열원으로 가열하면서 적층부(15)를 형성하고,
상기 분산강화용 입자의 용융 온도는 성형품 재질의 용융 온도의 1.3배 이상으로 선택하며,
상기 분산강화용 입자는 알루미나(Al2O3), 타이타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 토륨옥사이드(ThO), 이트리아(Y2O3), 텅스텐 카바이드(WC), 보론나이트라이드(BN) 중에서 선택되고,
상기 분산강화용 입자 크기는 1회 적층 두께의 2~10% 범위로 투입되며,
상기 분산강화용 입자는 용융된 기지의 상부 표면적의 0.5~3%를 덮을 정도의 양으로 분사되는 것을 특징으로 하는 금속선 기반 적층제조의 일방향 응고 방지 방법. - 삭제
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