KR20120026525A - 삼차원 형상 조형물의 제조 방법 및 그것으로부터 얻어지는 삼차원 형상 조형물 - Google Patents
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Abstract
삼차원 형상 조형물의 제조 방법으로서, (i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및, (ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정을 반복하여 행하여, 고화층 중 삼차원 형상 조형물의 사용 시에 힘이 가해지는 영역에 대해 표면 절삭 가공을 실시하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
Description
본 발명은, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법 및 삼차원 형상 조형물에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 형성하는 것을 반복하여 실시함으로써 복수의 고화층이 적층 일체화된 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법에 관한 것임과 함께, 그에 의해 얻어지는 삼차원 형상 조형물에도 관한 것이다.
종래부터, 분말 재료에 광 빔을 조사하여 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법(일반적으로는 「분말 소결 적층법」으로 칭해진다)이 알려져 있다. 이와 같은 방법으로는, 「(i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사함으로써, 이와 같은 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하고, (ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 깔고 동일하게 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성한다」와 같은 것을 반복하여 삼차원 형상 조형물을 제조하고 있다(특허 문헌 1 또는 특허 문헌 2 참조). 분말 재료로서 금속 분말이나 세라믹 분말 등의 무기질의 분말 재료를 이용한 경우에서는, 얻어진 삼차원 형상 조형물을 금형으로서 이용할 수 있으며, 수지 분말이나 플라스틱 분말 등의 유기질의 분말 재료를 이용한 경우에서는, 얻어진 삼차원 형상 조형물을 모델로서 이용할 수 있다. 이러한 제조 기술에 의하면, 복잡한 삼차원 형상 조형물을 단시간에 제조하는 것이 가능하다.
분말 소결 적층법에서는, 산화 방지 등의 관점에서 불활성 분위기 하에 유지된 챔버 내에서 삼차원 형상 조형물이 제조되는 경우가 많다. 분말 재료로서 금속 분말을 이용하여, 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 금형으로서 이용하는 경우를 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 우선, 소정의 두께 t1의 분말층(22)을 조형 플레이트(21) 상에 형성한 후(도 1(a) 참조), 광 빔을 분말층(22)의 소정 개소에 조사하여, 조형 플레이트(21) 상에 있어서 고화층(24)을 형성한다. 그리고, 형성된 고화층(24) 상에 새로운 분말층(22)을 깔고 재차 광 빔을 조사하여 새로운 고화층을 형성한다. 이와 같이 고화층을 반복하여 형성하면, 복수의 고화층(24)이 적층 일체화된 삼차원 형상 조형물을 얻을 수 있다(도 1(b) 참조). 최하층에 상당하는 고화층은 조형 플레이트면에 접착된 상태로 형성될 수 있으므로, 삼차원 형상 조형물과 조형 플레이트는 서로 일체화된 상태가 된다. 일체화된 삼차원 형상 조형물과 조형 플레이트는, 그대로 금형으로서 이용할 수 있다.
광 빔의 조사로 얻어지는 삼차원 형상 조형물은, 그 표면이 비교적 거칠며, 일반적으로 수 100㎛Rz 정도의 표면 거칠기를 가지고 있다. 이것은, 고화층 표면에 분말이 부착되기 때문이다. 고화층 형성 시에서는, 광 빔?에너지가 열로 변환되므로 조사 분말이 일단 용융하고 나서 냉각 과정에서 분말끼리가 융착하게 된다. 이 때, 광 빔이 조사되는 포인트의 주변의 분말 영역의 온도도 상승할 수 있기 때문에, 주변의 분말이 고화층 표면에 부착되어 버린다. 이 부착 분말은 삼차원 형상 조형물에 "표면 거칠기"를 초래하게 되기 때문에, 삼차원 형상 조형물의 표면을 마무리 가공할 필요가 있다. 구체적인 예를 들면, 얻어지는 삼차원 형상 조형물의 표면을 전체적으로 절삭 가공할 필요가 있다. 예를 들면, 특허 문헌 3에 기재되어 있는 바와 같은 제조 방법으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물에 있어서는, 삼차원 형상 조형물의 외부 셸 영역을 절삭 가공한다(도 16 참조).
이러한 절삭 가공의 현 상황에 대해서 말하면, 조형물의 최종적인 사용 용도는 고려하고 있지 않고, 삼차원 형상 조형물의 노출면을 모두 절삭 가공하고 있다. 예를 들면 특허 문헌 3의 발명에서는, 삼차원 형상 조형물의 전체 주위를 덮도록 존재하는 외부 셸 영역의 전체를 절삭 가공하고 있다. 이것은 제조 비용 및 제조 시간의 점에서 만족스러운 것이라고는 결코 말할 수 없다. 또, 절삭 가공이라는 것은, 표면을 깎아 내어, 원하는 형상?표면 거칠기로 하는 것이지만, 어디까지나 기계 가공(절삭 공구를 이용한 가공)이기 때문에, 가공 응력 또는 절삭열에 기인한 삼차원 형상 조형물의 데미지가 염려된다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 과제는, 제조 시간?제조 비용을 억제할 뿐만 아니라, 품질 저하도 억제한 삼차원 조형물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는,
(i) 조형 테이블(바람직하게는 조형 테이블에 배치된 조형 플레이트) 상에 형성된 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정을 반복하여 행하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
고화층 중 삼차원 형상 조형물의 사용 시에 힘이 가해지는 표면 영역에 대해 절삭 가공을 실시하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제조 방법은, 삼차원 형상 조형물의 용도를 고려하여 필요한 개소에만 표면 절삭 가공을 행하는 것을 특징의 하나로 하고 있다. 보다 구체적으로는, 삼차원 형상 조형물의 사용 시에 힘이 가해지는 영역에 대해서만 표면 절삭 가공을 실시한다.
본 명세서에서 말하는 「힘」이란, 삼차원 형상 조형물의 용도 사용 시에 있어서 삼차원 형상 조형물에 가해지는 힘을 실질적으로 의미하고 있다. 예를 들면, "사용 시에 유체물 내지는 고체물과의 접촉에 기인하여 삼차원 형상 조형물에 미치는 힘"을 들 수 있다.
또, 본 명세서에서 말하는 「절삭 가공」이란, 공구를 이용하여, 대상물을 절삭하는 것을 의미하고 있다. 따라서, 본 발명의 양태에서 말하면, 「절삭 가공」은, 삼차원 형상 조형물의 표면 부분을 절삭하여, 표면 요철을 제거하기 위한 조작을 의미하고 있다.
확인을 위해 더 기재하자면, 본 명세서에 있어서 「분말층」이란, 예를 들면 「금속 분말로 이루어지는 금속 분말층」 또는 「수지 분말로 이루어지는 수지 분말층」 등을 가리키고 있다. 또 「분말층의 소정 개소」란, 제조되는 삼차원 형상 조형물의 영역을 실질적으로 의미하고 있다. 따라서, 이와 같은 소정 개소에 존재하는 분말에 대해 광 빔을 조사함으로써, 그 분말이 소결 또는 용융 고화하여 삼차원 형상 조형물의 형상을 구성하게 된다. 또한, 「고화층」이란, 분말층이 금속 분말층인 경우에는 「소결층」을 실질적으로 의미하고 있으며, 분말층이 수지 분말층인 경우에는 「경화층」을 실질적으로 의미하고 있다.
한 바람직한 양태에서는, 삼차원 형상 조형물을 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용하여, 금형 사용 시에 캐비티 공간을 형성하는 면에 대해 절삭 가공을 실시한다. 이 경우, 「캐비티 공간을 형성하는 면」은, 금형의 사용 시에 성형 수지 재료가 접하는 개소이며, "힘이 가해지는 표면 영역"에 상당한다.
또 다른 바람직한 양태에서는, 삼차원 형상 조형물을 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용하여, 금형 사용 시에 코어측과 캐비티측이 접촉하게 되는 표면 영역의 일부(특히 캐비티 공간 형성면의 바로 외측에 위치하는 환형상의 표면 영역부)에 절삭 가공을 실시한다. 이 경우, 「금형 사용 시에 코어측과 캐비티측이 접촉하게 되는 표면 영역」이란, 형체(型締) 시에, 「코어측 금형의 둘레 가장자리부」와 「캐비티측 금형의 둘레 가장자리부」가 서로 밀접하는 영역이며, "힘이 가해지는 표면 영역"에 상당한다. 이와 같은 양태에서는, 서로 밀접하는 표면 영역 중 「절삭 가공을 실시하지 않는 부분」을 「절삭 가공을 실시하는 부분」보다도 낮은 표면 높이가 되도록 고화층 형성을 행하는 것이 바람직하다.
또한, 다른 바람직한 양태에서는, 후 가공 기준이 되는 부분을 부가적으로 절삭 가공한다. 여기서 말하는 「후 가공 기준」이란, "후에 가공할 때의 기준"을 의미하고 있다. 보다 구체적으로 말하면, 삼차원 형상 조형물 또는 그것과 일체화된 조형 플레이트는 차후에 용도에 따라 더 가공해야 하는 경우가 있는데, 그 가공을 위한 기준이 「후 가공 기준」이다.
본 발명의 제조 방법에 있어서는, 사용 시에 힘이 가해지는 표면 영역을 고화 밀도 95~100%의 고밀도 영역이 되도록 고화층 형성을 행하는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우, 광 빔이 조사되는 소정 개소의 분말을 완전 용융시키는 것을 통해서 고밀도 영역을 형성하는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 「고밀도 영역」이란, 이른바 "멜팅"(즉, 용융 고화로 형성되는 영역)을 가리키고 있으며, 고화 밀도가 매우 높아(고화 밀도 95~100% 정도), 액체나 기체 등의 유체가 통과할 수 없는 영역을 가리키고 있다.
본 발명에서는, 상기 서술한 제조 방법으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물도 제공된다. 특히 바람직한 양태에서는, 이와 같은 삼차원 형상 조형물은, 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용할 수 있는 것이며, 금형의 캐비티 공간 형성면이 표면 절삭 가공되어 있다. 또, 금형 사용 시에 코어측과 캐비티측이 접촉하게 되는 영역의 일부가 표면 절삭 가공되어 있는 것이어도 된다.
본 발명의 제조 방법에서는, 필요한 개소에만 표면 절삭 가공을 실시하므로, 제조 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 절삭 공구를 구동하기 위한 에너지를 줄일 수 있으므로, 제조 비용을 전체적으로 저감할 수 있다.
또, 본 발명의 제조 방법에서는, 필요한 개소에만 표면 절삭 가공을 실시하고 있으므로, 삼차원 형상 조형물의 전체에 차지하는 절삭 가공 영역의 비율을 비교적 작게 할 수 있다. 즉, 절삭 가공 영역은 "가공 응력?절삭열에 기인하여 가공 데미지를 받을 수 있는 영역"이라고 말할 수 있는 바, 본 발명에서는, 이와 같이 데미지를 받는 영역을 가능한 한 줄여 삼차원 형상 조형물의 제조를 행한다. 그러므로, 삼차원 형상 조형물에 대해 기계적 강도의 저감을 가능한 한 억제할 수 있다. 즉, 최종적으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물이 원하는 품질 강도(≒기계적 강도)를 유지할 수 있다.
또한, 종래 기술에 있어서 삼차원 형상 조형물의 기계적 강도의 저감을 방지하기 위해서는, 절삭 가공에 의한 손상의 정도를 미리 상정하여 설계해 두어야 했지만, 본 발명에서는, 용도를 고려하여 조형물에 절삭 가공을 실시한다는 것만으로, 제조 시간이나 제조 비용을 저감시키면서 기계적 강도의 저감을 방지할 수 있다. 즉, 본 발명은, 그러한 구체적으로 예측 곤란한 가공 손상을 고려한 설계를 제조 시간이나 제조 비용을 올리는 일 없이 생략할 수 있다는 점에서도 매우 유익하다.
도 1은 광조형 복합 가공기의 동작을 모식적으로 나타낸 단면도
도 2는 분말 소결 적층법이 행해지는 양태를 모식적으로 나타낸 사시도
도 3은 분말 소결 적층법이 실시되는 광조형 복합 가공기의 구성을 모식적으로 나타낸 사시도
도 4는 광조형 복합 가공기의 동작의 플로차트
도 5는 광조형 복합 가공 프로세스를 경시적으로 나타낸 모식도
도 6은 본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물의 특징을 개념적으로 나타낸 모식도
도 7은 코어측 금형 또는 캐비티측 금형으로서 이용하는 삼차원 형상 조형물의 양태를 모식적으로 나타낸 사시도
도 8은 캐비티 공간을 형성하는 표면에만 절삭 가공을 실시하는 양태를 모식적으로 나타낸 사시도
도 9는 금형 사용 시에 코어측과 캐비티측이 접촉하게 되는 표면 영역의 일부만 절삭 가공을 실시하는 양태를 나타낸 모식도
도 10은 캐비티 공간의 바로 외측에 위치하는 환형상의 표면 영역 부분에만 절삭 가공을 실시하는 양태를 모식적으로 나타낸 사시도
도 11은 후 가공 기준이 되는 부분?표면 영역을 더 절삭 가공하는 양태를 모식적으로 나타낸 사시도
도 12는 후 가공 기준이 되는 부분?표면 영역을 더 절삭 가공하는 양태를 나타낸 모식도
도 13은 삼차원 형상 조형물의 사용 시에 힘이 가해지는 영역을 고밀도 영역으로 하고, 그 고밀도 영역 부분을 표면 절삭 가공하는 양태를 나타낸 모식도
도 14는 고밀도 영역과 저밀도 영역의 경계 부분의 SEM 사진
도 15는 고밀도 영역(멜팅) 및 저밀도 영역의 SEM 사진(삼차원 형상 조형물의 단면 사진)
도 16은 종래 기술(특허 문헌 3)의 삼차원 형상 조형물의 양태를 나타낸 모식도
도 2는 분말 소결 적층법이 행해지는 양태를 모식적으로 나타낸 사시도
도 3은 분말 소결 적층법이 실시되는 광조형 복합 가공기의 구성을 모식적으로 나타낸 사시도
도 4는 광조형 복합 가공기의 동작의 플로차트
도 5는 광조형 복합 가공 프로세스를 경시적으로 나타낸 모식도
도 6은 본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 삼차원 형상 조형물의 특징을 개념적으로 나타낸 모식도
도 7은 코어측 금형 또는 캐비티측 금형으로서 이용하는 삼차원 형상 조형물의 양태를 모식적으로 나타낸 사시도
도 8은 캐비티 공간을 형성하는 표면에만 절삭 가공을 실시하는 양태를 모식적으로 나타낸 사시도
도 9는 금형 사용 시에 코어측과 캐비티측이 접촉하게 되는 표면 영역의 일부만 절삭 가공을 실시하는 양태를 나타낸 모식도
도 10은 캐비티 공간의 바로 외측에 위치하는 환형상의 표면 영역 부분에만 절삭 가공을 실시하는 양태를 모식적으로 나타낸 사시도
도 11은 후 가공 기준이 되는 부분?표면 영역을 더 절삭 가공하는 양태를 모식적으로 나타낸 사시도
도 12는 후 가공 기준이 되는 부분?표면 영역을 더 절삭 가공하는 양태를 나타낸 모식도
도 13은 삼차원 형상 조형물의 사용 시에 힘이 가해지는 영역을 고밀도 영역으로 하고, 그 고밀도 영역 부분을 표면 절삭 가공하는 양태를 나타낸 모식도
도 14는 고밀도 영역과 저밀도 영역의 경계 부분의 SEM 사진
도 15는 고밀도 영역(멜팅) 및 저밀도 영역의 SEM 사진(삼차원 형상 조형물의 단면 사진)
도 16은 종래 기술(특허 문헌 3)의 삼차원 형상 조형물의 양태를 나타낸 모식도
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[분말 소결 적층법]
우선, 본 발명의 제조 방법의 전제가 되는 분말 소결 적층법에 대해서 설명한다. 도 1~도 3에는, 분말 소결 적층법을 실시할 수 있는 광조형 복합 가공기의 기능 및 구성이 나타나 있다. 광조형 복합 가공기(1)는, 「금속 분말 및 수지 분말 등의 분말을 소정의 두께로 깔음으로써 분말층을 형성하는 분말층 형성 수단(2)」과 「외주가 벽(27)으로 둘러싸인 조형 탱크(29) 내에 있어서 실린더 구동으로 상하로 승강하는 조형 테이블(20)」과 「조형 테이블(20) 상에 배치되며 조형물의 토대가 되는 조형 플레이트(21)」와 「광 빔 L을 임의의 위치에 조사하는 광 빔 조사 수단(3)」과 「조형물의 주위를 깎는 절삭 수단(4)」을 주로 구비하고 있다. 분말층 형성 수단(2)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 「외주가 벽(26)으로 둘러싸인 분말 재료 탱크(28) 내에 있어서 실린더 구동으로 상하로 승강하는 분말 테이블(25)」과 「조형 테이블 또는 조형 플레이트 상에 분말층(22)을 형성하기 위한 스퀴징용 블레이드(23)」를 주로 가지고 이루어진다. 광 빔 조사 수단(3)은, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 「광 빔 L을 발하는 광 빔 발진기(30)」와 「광 빔 L을 분말층(22) 상에 스캐닝(주사)하는 갈바노 미러(31)(스캔 광학계)」를 주로 가지고 이루어진다. 필요에 따라, 광 빔 조사 수단(3)에는, 광 빔 스포트의 형상을 보정하는 빔 형상 보정 수단(예를 들면 한 쌍의 실린드리컬 렌즈와, 이와 같은 렌즈를 광 빔의 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동 기구를 가지고 이루어지는 수단)이나 fθ 렌즈 등이 구비되어 있다. 절삭 수단(4)은, 「조형물의 주위를 깎는 밀링 헤드(40)」와 「밀링 헤드(40)를 절삭 개소로 이동시키는 XY 구동 기구(41)(41a, 41b)」를 주로 가지고 이루어진다(도 2 및 도 3 참조).
광조형 복합 가공기(1)의 동작을 도 1, 도 4 및 도 5를 참조하여 상세히 서술한다. 도 4는, 광조형 복합 가공기의 일반적인 동작 플로우를 나타내고 있다. 도 5는, 광조형 복합 가공 프로세스를 모식적으로 간이하게 나타내고 있다.
광조형 복합 가공기의 동작은, 분말층(22)을 형성하는 분말층 형성 단계(S1)와, 분말층(22)에 광 빔 L을 조사하여 고화층(24)을 형성하는 고화층 형성 단계(S2)와, 조형물의 표면을 절삭하는 절삭 단계(S3)로 주로 구성되어 있다. 분말층 형성 단계(S1)에서는, 최초로 조형 테이블(20)을 Δt1 낮춘다(S11). 그 다음에, 분말 테이블(25)을 Δt1 올린 후, 도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 스퀴징용 블레이드(23)를, 화살표 A방향으로 이동시킨다. 이것에 의해, 분말 테이블(25)에 배치되어 있던 분말(예를 들면 「평균 입경 5㎛~100㎛ 정도의 철분」 또는 「평균 입경 30㎛~100㎛ 정도의 나일론, 폴리프로필렌, ABS 등의 분말」)을 조형 플레이트(21) 상으로 이송시키면서(S12), 소정 두께 Δt1로 고르게 하여 분말층(22)을 형성한다(S13). 다음에, 고화층 형성 단계(S2)로 이행하여, 광 빔 발진기(30)로부터 광 빔 L(예를 들면 탄산 가스 레이저(500W 정도), Nd: YAG 레이저(500W 정도), 파이버 레이저(500W 정도) 또는 자외선 등)를 발하여(S21), 광 빔 L을 갈바노 미러(31)에 의해 분말층(22) 상의 임의의 위치에 스캐닝한다(S22). 이것에 의해, 분말을 용융시키고, 고화시켜 조형 플레이트(21)와 일체화된 고화층(24)을 형성한다(S23). 광 빔은, 공기 중에 전달시키는 것에 한정되지 않고, 광파이버 등으로 전송시켜도 된다.
고화층(24)의 두께가 밀링 헤드(40)의 공구 길이 등으로부터 구한 소정 두께가 될 때까지 분말층 형성 단계(S1)와 고화층 형성 단계(S2)를 반복하여, 고화층(24)을 적층한다(도 1(b) 참조). 또한, 새롭게 적층되는 고화층은, 소결 또는 용융 고화 시에, 이미 형성된 하층을 이루는 고화층과 일체화하게 된다.
적층한 고화층(24)의 두께가 소정의 두께가 되면, 절삭 단계(S3)로 이행한다. 도 1 및 도 5에 나타낸 바와 같은 양태에서는 밀링 헤드(40)를 구동시킴으로써 절삭 단계의 실시를 개시하고 있다(S31). 예를 들면, 밀링 헤드(40)의 공구(볼 엔드 밀)가 직경 1mm, 유효 날 길이 3mm인 경우, 깊이 3mm의 절삭 가공을 할 수 있으므로, Δt1이 0.05mm이면, 60층의 고화층을 형성한 시점에서 밀링 헤드(40)를 구동시킨다. XY 구동 기구(41)(41a, 41b)에 의해 밀링 헤드(40)를 화살표 X 및 화살표 Y방향으로 이동시켜, 적층한 고화층(24)으로 이루어지는 조형물의 표면을 절삭 가공한다(S32). 그리고, 삼차원 형상 조형물의 제조가 여전히 종료되어 있지 않는 경우에서는, 분말층 형성 단계(S1)로 되돌아오게 된다. 이후, S1 내지 S3을 반복하여 고화층(24)을 더 적층함으로써, 삼차원 형상 조형물의 제조를 행한다(도 5 참조).
고화층 형성 단계(S2)에 있어서의 광 빔 L의 조사 경로와, 절삭 단계(S3)에 있어서의 절삭 가공 경로는, 미리 삼차원 CAD 데이터로부터 작성해 둔다. 이 때, 등고선 가공을 적용하여 가공 경로를 결정한다. 예를 들면, 고화층 형성 단계(S2)에서는, 삼차원 CAD 모델로부터 생성한 STL 데이터를 등피치(예를 들면 Δt1을 0.05mm로 한 경우에서는 0.05mm피치)로 슬라이스한 각 단면의 윤곽 형상 데이터를 이용한다.
[본 발명의 제조 방법]
본 발명의 제조 방법은, 상기 서술한 분말 소결 적층법에 대해, 얻어지는 삼차원 형상 조형물의 용도를 특별히 고려한 것이다. 구체적으로 말하면, 본 발명에서는, 삼차원 형상 조형물을 사용할 때에 힘이 가해지는 면(≒「삼차원 형상 조형물을 사용할 때에 다른 물질 또는 부재와 접촉하는 면」)에 대해 절삭 가공을 실시한다.
이하의 설명에서는, 분말로서 「금속 분말」을 이용하는 양태(즉, 분말층으로서 금속 분말층을 이용하는 양태)를 예를 들어 설명한다. 덧붙여서, 본 발명에 이용하는 금속 분말은, 철계 분말을 주성분으로 한 분말이며, 경우에 따라 니켈 분말, 니켈계 합금 분말, 구리 분말, 구리계 합금 분말 및 흑연 분말 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류를 더 포함하여 이루어지는 분말이어도 된다(일례로서, 평균 입경 20㎛ 정도의 철계 분말의 배합량이 60~90중량%, 니켈 분말 및 니켈계 합금 분말 양쪽 또는 어느 한쪽의 배합량이 5~35중량%, 구리 분말 및/또는 구리계 합금 분말 양쪽 또는 어느 한쪽의 배합량이 5~15중량%, 및, 흑연 분말의 배합량이 0.2~0.8중량%가 된 금속 분말을 들 수 있다). 또한, 금속 분말은, 이러한 철계 분말에 한정되는 것은 아니며, 구리계 분말이나 알루미늄 분말도 가능하며, 또한, 삼차원 형상 조형물을 금형 이외의 용도로 이용한다면, 플라스틱 분말이나 세라믹 분말도 가능한 것을 부언해 둔다.
본 발명의 제조 방법에서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 삼차원 형상 조형물(24)의 사용 시에 힘 P가 걸리는 영역에만 표면 절삭 가공을 실시한다. 삼차원 형상 조형물의 용도로서는, 예를 들면, 도 7에 나타낸 바와 같은 코어측 금형 또는 캐비티측 금형을 생각할 수 있다. 이와 같은 경우, 삼차원 형상 조형물의 사용 시에는 「캐비티 공간을 형성하는 면」에 대해 힘이 걸리게 된다. 즉, 코어측 금형과 캐비티측 금형이 서로 형체되어 형성되는 캐비티 공간에 대해 수지 재료가 충전되어 성형이 행해지므로, 캐비티 공간 형성면은 "수지 재료" 내지는 "성형물"로부터 힘을 받게 된다. 따라서, 본 발명에서는, 그러한 「캐비티 공간을 형성하는 면」에만 표면 절삭 가공을 실시한다(도 8 참조).
이용하는 절삭 가공 수단은, 표면 절삭을 실시할 수 있는 것이면 어느 것이어도 된다. 예를 들면, 절삭 가공 수단은, 범용의 수치 제어(NC: Numerical Control) 공작 기계 또는 그에 준하는 것이다. 특히, 절삭 공구(엔드 밀)를 자동 교환 가능한 머시닝 센터(MC)인 것이 바람직하다. 엔드 밀은, 예를 들면 초경(超硬) 소재의 2날 볼 엔드 밀이 주로 이용된다. 가공 형상이나 목적에 따라, 스퀘어 엔드 밀, 레디어스 엔드밀, 드릴 등을 이용해도 된다.
본 발명에서는, 표면 절삭 가공을 실시함으로써, 그 실시된 개소의 표면 거칠기를 개선할 수 있다. 예를 들면, 표면 절삭 가공이 실시된 개소의 표면 거칠기 Rz를, 바람직하게는 10㎛ 이하(Rz=0~10㎛), 보다 바람직하게는 5㎛ 이하(Rz=0~5㎛), 더 바람직하게는 0.1㎛ 이하(Rz=0~0.1㎛)로 할 수 있다. 여기서 「표면 거칠기 Rz」란, 거칠기 곡선(본 발명에서 말하면 「고화층 표면의 단면 형상 프로파일」)에 있어서 평균선으로부터 "가장 높은 산정부(山頂部)까지의 높이"와 "가장 낮은 곡저부(谷底部)까지의 깊이"를 합함으로써 얻어지는 거칠기 척도를 의미하고 있다.
또한, 삼차원 형상 조형물을 금형으로서 이용하는 경우, 성형품의 종류?사이즈 등에 따라 다르지만, 절삭 가공이 실시되는 표면 영역이 차지하는 면적 비율은, 삼차원 형상 조형물의 표면 전체의 30~50% 정도가 될 수 있다. 따라서, 그 만큼, 제조 시간이 단축될 뿐만 아니라, 절삭 가공에 수반하여 받는 삼차원 형상 조형물의 데미지(가공 응력 또는 절삭열)도 줄일 수 있게 된다. 예를 들면 절삭에 수반하는 크랙 등을 방지할 수 있는 것 외에, 삼차원 형상 조형물이 원하는 기계 강도를 유지할 수 있다(즉, 광조형된 시점의 강도를 실질적으로 유지할 수 있다).
「삼차원 형상 조형물의 사용 시에 힘이 가해지는 영역에만 표면 절삭 가공을 실시한다」와 같은 양태에는, 다양한 양태를 생각할 수 있다. 예를 들면, 삼차원 형상 조형물을 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용하는 경우, 금형 사용 시에 코어측과 캐비티측이 접촉하게 되는 표면 영역의 일부에 대해 절삭 가공을 실시해도 된다(도 9 참조). 즉, 금형끼리가 접촉하는 영역의 일부에 대해 절삭 가공을 실시한다. 보다 구체적으로는, 금형 사용 시에 코어측과 캐비티측이 접촉하게 되는 표면 전체를 절삭 가공하는 것이 아니라, 도 10에 나타낸 바와 같이, 캐비티 공간 형성면의 바로 외측에 위치하는 환형상의 표면 영역 부분 만을 절삭 가공한다. 이와 같은 경우, 절삭 가공이 실시된 면은, 코어측 금형과 캐비티측 금형이 서로 형체되었을 때에 "시일링면"을 형성할 수 있다. 또한, 이 양태에서는, 도 9 또는 도 10에 나타낸 바와 같이, 「절삭 가공을 실시하지 않는 부분」을 「절삭 가공을 실시하는 부분」보다도 낮은 표면 높이가 되도록 조형하는 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 절삭 가공에 의한 제거 마무리를 행하지 않는 부분은, 한 단 낮춘 모델로서 작성하여, 소결면을 노출시킨 상태로 해 두는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 「절삭 가공을 실시하는 부분 a」는 가공 후에 표면 높이가 낮아지므로, 「절삭 가공을 실시하지 않는 부분 b」의 표면 높이를 미리 낮추어 두면, 절삭 가공 후에 부분 a와 부분 b를 단차없이 할 수 있기 때문이다(이것에 의해 부분 a가 시일링면으로서 확실히 기능할 수 있다). 예를 들면, 분말 소결 적층법의 실시로 얻어지는 조형물에서는 「절삭 가공을 실시하지 않는 부분 b」를 「절삭 가공을 실시하는 부분 a」보다도 0.3~1mm 정도 낮게 해 두는 것이 바람직하다.
본 발명의 제조 방법에 있어서는, 후 가공 기준(60)이 되는 부분?표면 영역을 더 절삭 가공해도 된다(도 11 및 도 12 참조). 「후 가공 기준」이란, 상기 서술한 바와 같이, "후에 가공할 때의 기준"을 실질적으로 의미하고 있다. 예를 들면, 삼차원 형상 조형물 또는 그것과 일체화된 조형 플레이트를 차후에 용도에 따라 가공해야 하는 경우가 있는데, 그 가공을 위한 기준을 절삭 가공으로 형성해 둔다. 보다 구체적으로 말하면, 삼차원 형상 조형물을 금형으로서 이용하는 경우에서는, 조형 플레이트와 일체화된 금형을 형체 장치에 장착하게 되어, 그 장착에 적절한 형상이 되도록 조형 플레이트를 가공할 필요가 있다. 그러므로, 이와 같은 조형 플레이트의 가공의 기준이 되는 것을 삼차원 조형물에 형성해 둔다. 이것에 의해, 삼차원 형상 조형물의 제조 후에 있어서의 "후 가공"이 용이해져, 보다 바람직한 양태로 삼차원 형상 조형물을 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조 방법에 있어서는, 도 13에 나타낸 바와 같이, 삼차원 형상 조형물의 사용 시에 힘이 가해지는 영역을 고밀도 영역으로 하고, 그 고밀도 영역 부분에 대해 표면 절삭 가공을 실시해도 된다. 이것에 의해, 필요한 개소에만 고밀도 영역을 형성하므로, 고화층 형성 시에도, 제조 시간의 단축 및 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다. 고밀도 영역(즉, 고밀도 멜팅)은, 광 빔이 조사된 소정 개소의 분말을 완전 용융시키는 것을 통해서 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 고화 밀도가 95~100%인 고밀도 영역으로 하고, 그 이외의 영역을 고화 밀도가 0~95%(95%를 포함하지 않음)인 저밀도 영역이 되도록 고화층을 형성해도 된다. 도 14에는, 고밀도 영역과 저밀도 영역의 경계 부분의 SEM 사진을 나타냄과 함께, 도 15에는, 고밀도 영역 및 저밀도 영역의 각각의 단면 사진(SEM 사진)을 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 말하는 「고화 밀도」란, 조형물의 단면 사진을 화상 처리함으로써 구한 소결 단면 밀도(금속 재료의 점유율)를 실질적으로 의미하고 있다. 사용하는 화상 처리 소프트웨어는 Scion Image ver.4.0.2(프리 소프트웨어)이며, 단면 화상을 소결부(백)와 공공부(空孔部)(흑)로 2치화한 후, 화상의 전체 화소수 Pxall 및 소결부(백)의 화소수 Pxwhite를 카운트함으로써, 이하의 식 1에 의해 소결 단면 밀도 ρS를 구할 수 있다.
고밀도 영역의 형성에는, 조사하는 광 빔의 출력 에너지를 높게 하여 분말의 완전 용융이 생기도록 하면 되며, 그 한편, 저밀도 영역의 형성에서는, 조사하는 광 빔의 출력 에너지를 낮게 하여 분말의 완전 용융이 생기지 않도록 하면 된다. 이와 같이, (a) 광 빔의 출력 에너지를 높게 하는 것 외에, (b) 광 빔의 주사 속도를 낮추거나, (c) 광 빔의 주사 피치를 좁히거나, (d) 광 빔의 집광 직경을 작게 함으로써도, 고밀도 영역을 형성할 수 있다. 상기 (a)~(d)는, 단독으로 행해도 되지만, 그것을 다양하게 조합하여 행해도 된다. 또한, 상기 (a)에 대해서 말하면, 예를 들면 광 빔의 조사 에너지 밀도 E를 약 4~15J/mm2로 함으로써, 고화 밀도가 95~100%인 고밀도 영역을 형성할 수 있다. 마찬가지로, 저밀도 영역은, (a) 광 빔의 출력 에너지를 낮게 하는 것 외에, (b) 광 빔의 주사 속도를 올리거나, (c) 광 빔의 주사 피치를 넓히거나, (d) 광 빔의 집광 직경을 크게 함으로써도 형성할 수 있다. 예를 들면 광 빔의 조사 에너지 밀도 E를 약 1~3J/mm2로 함으로써, 고화 밀도가 70~90%인 저밀도 영역을 형성할 수 있다. 또한, 에너지 밀도 E=레이저 출력(W)/(주사 속도(mm/s)×주사 피치(mm)이다(제조 조건은 예를 들면, 분말의 적층 두께: 0.05mm, 레이저의 종류: CO2(탄산 가스) 레이저, 스포트 직경: 0.5mm이다).
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명해 왔지만, 본 발명의 적용 범위 중 전형예를 예시한 것에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며, 다양한 개변이 이루어질 수 있는 것을 당업자는 용이하게 이해될 것이다.
또한, 상기 서술과 같은 본 발명은, 다음의 양태를 포함하고 있다:
제1 양태: (i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정을 반복하여 행하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
고화층 중 삼차원 형상 조형물의 사용 시에 힘이 가해지는 표면 영역에 대해 절삭 가공을 실시하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제2 양태: 상기 제1 양태에 있어서, 상기 삼차원 형상 조형물을 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용하여, 금형 사용 시에 캐비티 공간을 형성하는 면에 대해 절삭 가공을 실시하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제3 양태: 상기 제1 또는 제2 양태에 있어서, 상기 삼차원 형상 조형물을 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용하여, 금형 사용 시에 코어측과 캐비티측이 접촉하게 되는 표면 영역의 일부에 대해 절삭 가공을 실시하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제4 양태: 상기 제3 양태에 있어서, 상기 표면 영역 중 「절삭 가공을 실시하지 않는 부분」을 「절삭 가공을 실시하는 부분」보다도 낮은 표면 높이가 되도록 고화층 형성을 행하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제5 양태: 상기 제1 내지 제4 양태 중 어느 하나에 있어서, 후 가공 기준이 되는 부분을 부가적으로 절삭 가공하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제6 양태: 상기 제1 내지 제5 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 사용 시에 힘이 가해지는 표면 영역을 고화 밀도 95~100%의 고밀도 영역이 되도록 고화층 형성을 행하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제7 양태: 상기 제2 양태의 제조 방법으로 얻어지며, 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용되는 삼차원 형상 조형물로서,
금형의 캐비티 공간을 형성하는 면이 표면 절삭 가공되어 있는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물.
제8 양태: 상기 제3 양태의 제조 방법으로 얻어지며, 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용되는 삼차원 형상 조형물로서,
금형 사용 시에 코어측과 캐비티측이 접촉하게 되는 영역의 일부가 표면 절삭 가공되어 있는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명의 삼차원 형상 조형물의 제조 방법을 실시함으로써, 다양한 물품을 제조할 수 있다. 예를 들면, 『분말층이 무기질의 금속 분말층이며, 고화층이 소결층이 되는 경우』에서는, 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 플라스틱 사출 성형용 금형, 프레스 금형, 다이캐스트 금형, 주조 금형, 단조 금형 등의 금형으로서 이용할 수 있다. 또, 『분말층이 유기질의 수지 분말층이며, 고화층이 경화층이 되는 경우』에서는, 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 수지 성형품으로서 이용할 수 있다.
<관련 출원의 서로 참조>
본 출원은, 일본국 특허 출원 제2009－148866호(출원일: 2009년 6월 23일, 발명의 명칭: 「삼차원 형상 조형물의 제조 방법 및 그것으로부터 얻어지는 삼차원 형상 조형물」)에 기초하는 파리 조약 상의 우선권을 주장한다. 당해 출원에 개시된 내용은 모두, 이 인용에 의해, 본 명세서에 포함되는 것으로 한다.
1 광조형 복합 가공기
2 분말층 형성 수단
3 광 빔 조사 수단
4 절삭 수단
19 분말/분말층(예를 들면 금속 분말/금속 분말층 또는 수지 분말/수지 분말층)
20 조형 테이블
21 조형 플레이트
22 분말층(예를 들면 금속 분말층 또는 수지 분말층)
23 스퀴징용 블레이드
24 고화층(예를 들면 소결층 또는 경화층) 또는 그것으로부터 얻어지는 삼차원 형상 조형물
25 분말 테이블
26 분말 재료 탱크의 벽부분
27 조형 탱크의 벽부분
28 분말 재료 탱크
29 조형 탱크
30 광 빔 발진기
31 갈바노 미러
32 반사 미러
33 집광 렌즈
40 밀링 헤드
41 XY 구동 기구
41a X축 구동부
41b Y축 구동부
42 툴 매거진
50 챔버
52 광투과창
60 후 가공 기준
L 광 빔
P 사용 시에 삼차원 형상 조형물에 가해지는 "힘"
2 분말층 형성 수단
3 광 빔 조사 수단
4 절삭 수단
19 분말/분말층(예를 들면 금속 분말/금속 분말층 또는 수지 분말/수지 분말층)
20 조형 테이블
21 조형 플레이트
22 분말층(예를 들면 금속 분말층 또는 수지 분말층)
23 스퀴징용 블레이드
24 고화층(예를 들면 소결층 또는 경화층) 또는 그것으로부터 얻어지는 삼차원 형상 조형물
25 분말 테이블
26 분말 재료 탱크의 벽부분
27 조형 탱크의 벽부분
28 분말 재료 탱크
29 조형 탱크
30 광 빔 발진기
31 갈바노 미러
32 반사 미러
33 집광 렌즈
40 밀링 헤드
41 XY 구동 기구
41a X축 구동부
41b Y축 구동부
42 툴 매거진
50 챔버
52 광투과창
60 후 가공 기준
L 광 빔
P 사용 시에 삼차원 형상 조형물에 가해지는 "힘"
Claims (8)
- (i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정을 반복하여 행하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
고화층 중 삼차원 형상 조형물의 사용 시에 힘이 가해지는 표면 영역에 대해 절삭 가공을 실시하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 삼차원 형상 조형물을 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용하여, 금형 사용 시에 캐비티 공간을 형성하는 면에 대해 절삭 가공을 실시하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 삼차원 형상 조형물을 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용하여, 금형 사용 시에 코어측과 캐비티측이 접촉하게 되는 표면 영역의 일부에 대해 절삭 가공을 실시하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 표면 영역 중 「절삭 가공을 실시하지 않는 부분」을 「절삭 가공을 실시하는 부분」보다도 낮은 표면 높이가 되도록 고화층 형성을 행하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
후 가공 기준이 되는 부분을 부가적으로 절삭 가공하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 사용 시에 힘이 가해지는 표면 영역을 고화 밀도 95~100%의 고밀도 영역이 되도록 고화층 형성을 행하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법. - 청구항 2에 기재된 제조 방법으로 얻어지며, 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용되는 삼차원 형상 조형물로서,
금형의 캐비티 공간을 형성하는 면이 표면 절삭 가공되어 있는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물. - 청구항 3에 기재된 제조 방법으로 얻어지며, 코어측 또는 캐비티측의 금형으로서 이용되는 삼차원 형상 조형물로서,
금형 사용 시에 코어측과 캐비티측이 접촉하게 되는 영역의 일부가 표면 절삭 가공되어 있는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물.
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