KR20120067490A - 3차원 물체의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 분말을 이용하여 3차원의 물체를 제조하는 방법에 관련된 기술로서, 보다 구체적으로 플랫폼 위에 마련되는 금속 분말 공급부와 보조성 분말 공급부를 통해서 금속 분말이나 보조성 분말을 공급하여 블럭형태의 모형을 제작하되, 제작하고자 하는 물품의 형상에 따라 보조성 분말영역, 금속 분말영역으로 구분되도록 하는 모형 제작단계; 상기 모형 제작단계를 통해 만들어진 모형에 열을 가하여 상기 금속 분말들은 서로 결합을 이루도록 하는 가열단계; 상기 보조성 분말영역에 의해 둘러싸인 상기 금속 분말영역을 분리시키는 탈거단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 물체의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF THREE DIMENSIONAL OBJECTS}
본 발명은 금속 분말을 이용하여 3차원의 물체를 제조하는 방법에 관련된 기술이다.
금속을 이용하여 다양한 물품들이 만들어지며, 금속 가공기술은 날로 발전하여 복잡한 형상의 제품도 대량 생산이 가능하게 되었다.
대표적인 금속 가공기술로는 CNC와 같은 장비를 이용한 절삭가공이 있고, 단조, 주조 등의 방법이 있다.
그리고 금속 분말을 이용하여 각종 기계부품을 만드는 기술로 분말야금법이 있다.
분말야금법은 원재료를 준비하여 적정하게 혼합한 후 물품의 형상으로 성형하고 소결하는 단계로 이루어진다. 이후 다양한 후처리가 이어질 수 있다.
혼합 공정에서는 금속 분말에 각종 첨가물을 섞어 고르게 배합하게 되며, 프레스 등과 같은 수단을 이용하여 물품의 형상을 성형하게 되며, 이후 가열로에 성형된 제품을 넣어 소결하는 단계를 거치게 된다.
특히, 성형을 할 때에는 보통 금형에 분말상 재료를 투입하여 압축시키는 방식으로 대량으로 제품을 성형한다.
이처럼 기존의 분말야금법에서는 미리 물품의 형상을 만든 후 소결처리하기 때문에 임펠러나 굴곡진 파이프와 같은 제품을 만들 수 없다는 한계가 있었다.
1. 대한민국 등록특허번호 제10-0289459호(2001.02.20 등록)
본 발명은 금속 분말을 주재료로 하여 다양하고 복잡한 3차원 물체를 효과적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
특히, 3차원 물체의 내부에 유로나 빈 공간이 존재하여 종래기술로는 제조가 곤란하였던 물품들을 손쉽게 만들 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
제시한 바와 같은 과제 달성을 위한 본 발명의 3차원 물체의 제조방법은, 플랫폼 위에 마련되는 금속 분말 공급부와 보조성 분말 공급부를 통해서 금속 분말이나 보조성 분말을 공급하여 블럭형태의 모형을 제작하되, 제작하고자 하는 물품의 형상에 따라 보조성 분말영역, 금속 분말영역으로 구분되도록 하는 모형 제작단계; 상기 모형 제작단계를 통해 만들어진 모형에 열을 가하여 상기 금속 분말들은 서로 결합을 이루도록 하는 가열단계; 상기 보조성 분말영역에 의해 둘러싸인 상기 금속 분말영역을 분리시키는 탈거단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 3차원 물체의 제조방법은, 상기 탈거단계 다음으로 상기 금속 분말영역 내부에 잔존하는 상기 보조성 분말영역을 제거하도록 하는 후처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에서 상기 후처리 단계는, 액체나 기체를 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 3차원 물체의 제조방법은 금속 분말과 보조성 분말을 이용하여 내부에 유로가 존재하는 것과 같이 형상이 복잡한 3차원 물체를 간편하게 제작할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따라 터빈용 블레이드를 제조하는 제조 공정도.
도 2는 제작된 터빈용 블레이드 모형의 확대도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따라 곡관을 제조하는 제조 공정도.
도 4는 제작된 곡관 모형의 확대도.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에 의한 3차원 물체의 제조방법은 모형 제작단계(S1), 가열단계(S2), 탈거단계(S3)를 포함하며, 보다 바람직하게는 후처리단계(S4)가 포함된다.
이하 설명에 있어서 본 발명의 바람직한 실시예로 터빈용 블레이드와 곡관의 제조에 대해 상세히 설명하도록 한다.
먼저 제1실시예로서 터빈용 블레이드를 본 발명의 기술에 따라 제조하는 과정에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따라 터빈용 블레이드를 제조하는 제조 공정도를 나타낸 것이다. 도 2는 제작된 터빈용 블레이드 모형의 확대도이다.
도시된 바와 같이 모형 제작단계(S1)는 편평한 플랫폼(10)에서 이루어지는 것으로 바람직하게 플랫폼(10)은 소정 높이만큼씩 하강될 수 있는 것으로 하며 플랫폼(10) 주위로 사각 테두리(20)가 마련된다.
플랫폼(10) 상측에는 금속 분말 공급부(30)와 보조성 분말 공급부(40)가 마련되며, 금속 분말 공급부(30)와 보조성 분말 공급부(40)는 자동 제어되어 수평면상에서 X축 및 Y축 방향으로 이동될 수 있고, 각각의 노즐(N)을 통해 금속 분말과 보조성 분말을 하방으로 배출시킬 수 있는 구조를 갖는다. 바람직하게 노즐(N)을 통한 금속 분말이나 보조성 분말의 공급량도 제어될 수 있도록 구성한다.
기본적으로 금속 분말 공급부(30)에서는 금속 분말이 공급되도록 하고 보조성 분말 공급부(40)에서는 보조성 분말이 공급되는 것으로 한다.
금속 분말 공급부(30)와 보조성 분말 공급부(40)를 통해서 플랫폼(10) 위로 물품의 형상에 따라 금속 분말이나 보조성 분말을 공급하여 블럭형태의 모형을 제작하게 되는데, 소정 높이만큼 금속 분말이나 보조성 분말을 공급한 후에는 다지는 과정을 거치도록 함이 적합하다. 이렇게 순차적으로 층을 쌓아가면서 사각 블럭형태의 모형을 만들게 된다.
금속 분말이나 보조성 분말의 공급은 만들고자 하는 제품의 모양에 따라 결정되며, 보조성 분말만이 존재하는 영역과 금속 분말만이 존재하는 영역으로 구분된다.
도시된 바와 같이 보조성 분말만이 층을 이루는 부분을 보조성 분말영역(A1)이라 하며, 금속 분말만이 존재하는 부분을 금속분말영역(A2)이라 한다.
특히 본 발명의 유용성은 제조하고자 하는 물품의 내부에 유로와 같은 빈 공간이 존재하더라도 모형 제작시 금속분말과 보조성 분말을 물품 형상에 맞게 쌓아감으로써 어떠한 복잡한 물품이라도 코아나 지지체 혹은 목형과 같은 보조도구의 도움없이도 모형을 만들 수 있다는 것이다.
예를들어 제1층의 경우는 좌측으로부터 보조성 분말영역(A1)-금속분말영역(A2)-보조성분말영역(A1)-금속분말영역(A2)-보조성분말영역(A1) 순으로 위치하게 된다. 한편, 제2층의 경우는 보조성 분말영역(A1)-금속 분말영역(A2)-보조성 분말영역(A1)-금속 분말영역(A2)-보조성 분말영역(A1)-금속분말영역(A2)-보조성 분말영역(A1)-금속 분말영역(A2)- 보조성 분말영역(A1) 순으로 위치하게 된다. 제3층의 경우는 보조성 분말영역(A1)으로 이루어진다.
여기서 제1층, 제2층, 제3층이라 표현한 것은 설명의 편의를 위한 것일 뿐 본 실시예의 블럭모형이 3개층으로 이루어지는 것을 뜻하는 것은 아니다.
보다 구체적으로 보조성 분말영역(A1)에서는 보조성 분말 공급부(40)가 이동되어와 보조성 분말을 소정 두께로 뿌리도록 하며, 금속 분말영역(A2)에는 금속 분말 공급부(30)가 이동되어와 금속 분말을 뿌리게 된다. 이처럼 물품의 형상에 따라 보조성 분말과 금속분말이 서로 인접하면서 적당한 두께로 쌓임으로서 하나의 층을 이루게 된다.
바람직하게 적당한 두께를 이루도록 한 층을 형성한 후에는 상방에서 가압하여 뿌려진 금속 분말이나 보조성 분말을 다지도록 한다. 금속 분말이나 보조성 분말을 다질 때에는 롤러(미도시)와 같은 것을 이용할 수 있을 것이다.
물품의 형상을 고려하여 순차적으로 금속 분말이나 보조성 분말을 쌓아감으로써 블럭 형상의 모형을 완성하게 된다.
여기에서 금속 분말은 철계금속이나 알루미늄 등과 같은 것을 의미하며 물품에 따라 구체적인 금속 종류는 달라질 수 있다. 그리고 보조성 분말이라 함은 석고 분말이 대표적이라 할 수 있고 석고와 같은 특성을 갖는 기타 물질들이 사용될 수 있다.
특히, 본 발명에서 보조성 분말은 이후 단계인 가열단계(S2)에서 고온의 열에 의해서 소실되지 않고 그대로 존재하여 블럭형태의 모형을 유지시킬 수 있는 것으로 한다.
모형 제작단계(S1)가 완료되면 가열단계(S2)가 뒤따르는데 만들어진 모형을 가열로에 투입하여 고온의 열을 작용시키도록 한다. 가열단계(S2)에서 작용시키는 열은 금속 분말들간 경계 부근에서 상호 결합이 발생될 수 있을 정도가 되도록 한다. 즉, 금속 분말들이 완전히 용융되지는 않되 이웃하는 금속 분말간 결합을 이루어 형상을 유지할 수 있는 정도가 적당하다.
가열단계(S2)에서는 열에 의해 금속 분말들만 서로 결합을 형성하게 되고 보조성 분말은 분말 상태를 그대로 유지하게 된다.
가열단계(S2) 다음으로는 탈거단계(S3)가 뒤따르며 보조성 분말에 의해 둘러싸인 금속 분말영역을 꺼집어 내도록 한다. 보조성 분말은 분말 상태이기 때문에 쉽게 제거될 수 있다.
가열에 의해 금속 분말영역에(A2)서는 금속 분말들이 서로 결합을 이루어 특정한 물체의 형상을 이루게 되고 물체의 내부 유로 등에 존재하는 보조성 분말은 후처리 단계(S4)를 통해 완전히 제거하도록 한다.
후처리 단계(S4)에서는 액체나 기체를 분사하여 물체의 내부에 형성되는 유로에 존재하는 보조성 분말을 제거시키도록 함이 바람직하다.
이상과 같은 과정을 통해 복잡하고 내부에 유로가 존재하는 터빈용 블레이드를 간편하게 제조할 수 있다.
다음으로 본 발명의 제2실시예로서 곡관의 제조방법에 대해 개략적으로 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따라 곡관을 제조하는 제조 공정도이며, 도 4는 제작된 곡관 모형의 확대도를 나타낸 것이다.
이미 설명한 제1실시예에서와 마찬가지로 플랫폼(10) 위에서 금속분말과 보조성 분말을 물체의 형상에 따라 적정량씩 공급하여 층을 쌓아가도록 한다.
곡관은 내부가 비어있는 굽어진 파이프이기 때문에 이를 고려하여 금속 분말과 보조성 분말을 공급하여야 한다.
모형제작단계(S1)를 통해 만들어진 모형에서 제1층의 경우는 보조성 분말영역(A1)이 되고, 제2층의 경우는 보조성 분말영역(A1)-금속분말영역(A2)-보조성 분말영역(A1)-금속분말영역(A2)-보조성 분말영역(A1)-금속분말영역(A2)-보조성 분말영역(A1)-금속분말영역(A2)-보조성 분말영역(A1)순으로 쌓이게 된다. 한편, 제3층은 보조성 분말영역(A1)이 된다.
보조성 분말에 완전히 둘러쌓이게 되는 금속 분말은 가열단계(S2)에서 금속 분말간 상호 결합을 이루어 곡관 형태로 성형이 된다.
이후 탈거단계(S3)에서 보조성 분말을 제거하고 후처리단계(S4)에서는 곡관 내부에 잔존하는 보조성 분말을 제거시키도록 한다.
이와 같이 아무리 형상이 복잡하고 내부에 유로가 있는 물품이라도 본 발명에 의하면 손쉽게 제작할 수 있다.
물론, 본 발명에 의하면 물품 자체에 유로와 같은 빈 공간이 있는 물품뿐 아니라 내부 공간이 없으나 외형이 복잡한 다양한 물품도 쉽게 제작할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 내부에 유로와 같은 빈 공간부가 있는 복잡한 물체를 제작하는데 사용될 수 있다.
S1 : 모형제작단계 S2 : 가열단계
S3 : 탈거단계 S4 : 후처리단계
A1 : 보조성 분말영역 A2 : 금속분말영역
10 : 플랫폼 20 : 사각테두리
30 : 금속 분말 공급부 40 : 보조성 분말 공급부
N : 노즐

Claims (3)

  1. 플랫폼 위에 마련되는 금속 분말 공급부와 보조성 분말 공급부를 통해서 금속 분말이나 보조성 분말을 공급하여 블럭형태의 모형을 제작하되, 제작하고자 하는 물품의 형상에 따라 보조성 분말영역, 금속 분말영역으로 구분되도록 하는 모형 제작단계;
    상기 모형 제작단계를 통해 만들어진 모형에 열을 가하여 상기 금속 분말들은 서로 결합을 이루도록 하는 가열단계;
    상기 보조성 분말영역에 의해 둘러싸인 상기 금속 분말영역을 분리시키는 탈거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 물체의 제조방법은,
    상기 탈거단계 다음으로 상기 금속 분말영역 내부에 잔존하는 상기 보조성 분말영역을 제거하도록 하는 후처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 후처리 단계는,
    액체나 기체를 이용하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체의 제조방법.
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