KR20160003521A

KR20160003521A - 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법

Info

Publication number: KR20160003521A
Application number: KR1020140082095A
Authority: KR
Inventors: 문영훈; 지원종; 한상욱
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2016-01-11

Abstract

본 발명은 선택적 조성을 갖는 금속분말을 사용하여 경사기능성 부품을 신속하게 제작하는 것을 특징으로 하는 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 3차원 성형 자유도를 활용한 기술을 구현하여 다양한 화학적 조성을 갖는 금속분말을 선택적으로 조합하여 레이저 직접용융(Direct Laser Melting)에 의한 경사기능성 부품을 신속하고, 정밀하게 제작이 가능한 효과가 있다.

Description

선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법{Manufacturing methods of functionally graded objects Induced by Direct Laser Melting of Compositionally Selected Metallic Powders and freedom in 3D design}

본 발명은 선택적 조성을 갖는 금속분말을 사용하여 경사기능성 부품을 신속하게 제작하는 것을 특징으로 하는 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법에 관한 것이다.

경사기능성(functionally graded property)은 금속 또는 세라믹 소재의 미세구조나 화학적 조성을 점진적으로 변화시킴으로써 열적-기계적 물성을 점진적이고 복합적으로 만드는 것을 의미하며, 고온, 부식, 마모 및 충격환경 등과 같은 가혹한 조건에서 장시간 사용되는 부품에 유리한 물성이다. 경사기능재료의 제조방법으로는 분말 적층법, 열 용사법, 연소 합성법, 증착 법, 플라즈마 소결법 등의 다양한 방법이 있으며, 세라믹 분말과 금속분말 등을 여러 분율로 섞고, 혼합비율 별로 적층 가압한 후 소결하는 분말 적층법이 많이 적용되어 왔으나 여러 복잡한 제조공정을 거쳐야 하는 단점이 있으므로 경사기능재료의 제조방법을 개선하고 간편화하는 방법에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔다.

이와 같은 경사기능재료 또는 경사기능부품의 제조기술에 대한 선행문헌들을 살펴보면, 특허문헌 1에 가속전자빔을 사용한 TiN/탄소강 경사기능재료의 제조 방법과 특허문헌 2에 금속분말 및 복수의 혼합 분말을 적층해 적층체를 제작하는 적층 공정과 상기 적층체를 가열해 상기 세라믹스 또는 상기 금속간 화합물을 연소 합성시킴과 동시에 금속 및 연소 합성된 상기 세라믹스 또는 상기 금속간 화합물을 고온에서 굽는 소성공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 경사 기능재료의 제조 방법과, 특허문헌 3에 폭발 용사 코팅법을 이용한 경사기능 복합 재료 제조방법과, 특허문헌 4에 단일분말들로 혼합분말을 형성하고 일정 하중으로 가압, 적층한 후에 선택 금속을 무가압침투방식으로 반응시켜 경사기능성 층상구조의 금속기지 복합재료의 예비성형체를 제조하는 방법 및 비특허문헌 1에 Fe-Ni-Cr 분말의 선택적 레이저 소결 적층시 공정변수에 따른 조형특성에 관한 기술들이 알려져 있다.

한편 3D 프린팅 기술은 시제품의 디자인 검증과 조립성 평가를 위한 쾌속조형(rapid prototyping)기술로서 그동안 합성수지 소재를 이용한 3차원 부품 소재의 제작에 널리 사용되어 왔으며, 근래에는 금속계 분말을 이용하여 원하는 강도와 인성을 갖는 복합형상의 부품을 직접 제작하는 연구가 확대되고 있다. 2D 프린터는 2축 운동으로 움직임에 제약이 있지만 3D 프린터는 상하 움직임을 더한 3축 운동을 통해 움직임에 구속이 없으며 3D CAD, 모델링 프로그램, 3D 스캐너 등에서 빠른 시간 안에 제품을 직접 만들 수 있어 정확도가 높고 제작 시간을 크게 단축할 수 있는 장점이 있다.

따라서, 본 발명은 3차원 성형 자유도를 활용한 기술을 구현하여 금속분말을 선택적으로 조합하여 레이저 직접용융(Direct Laser Melting, 이하 'DLM'이라 한다)에 의한 경사기능성 부품을 제조하는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

특허문헌 1 : 대한민국 등록특허공보 제0238953호(1999년 10월 18일 등록) TiN/탄소강 경사기능재료의 제조 방법 특허문헌 2 : 일본공개특허공보 특개2006-347778호(2006년 12월 28일 공개) 경사 기능재료의 제조 방법 및 경사 기능재료 특허문헌 3 : 대한민국 공개특허공보 제2003-0018695호(2003년 3월 6일 공개) 폭발 용사 코팅법을 이용한 경사기능 복합 재료 제조방법 특허문헌 4 : 대한민국 공개특허공보 제2009-0070764호(2009년 7월 1일 공개) 경사기능성 층상구조의 금속기지 복합재료의 예비성형체 제조방법

비특허문헌 1 : 주병돈 등 5인, Fe-Ni-Cr 분말의 선택적 레이저 소결 적층시 공정변수에 따른 조형특성, 한국소성가공학회지, 18(3), 262~267 (2009)

본 발명은 3차원 성형 자유도를 활용한 기술을 구현하여 다양한 화학적 조성을 갖는 금속분말을 선택적으로 조합하여 레이저 직접용융(DLM)에 의한 경사기능성 부품을 신속하고, 정밀하게 제작이 가능한 것을 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은 모재의 상부 면에 제1 금속분말을 균일하게 도포하여 형성시킨 제1 금속분말 도포층에 레이저빔을 주사하여 용융시킨 제1 금속을 모재에 적층시키는 제1 금속층 적층 단계, 상기 제1 금속층의 상부 면에 제2 금속분말을 균일하게 형성시킨 제2 금속분말 도포층에 레이저빔을 주사하여 용융시킨 제2 금속을 제1 금속층에 적층시키는 제2 금속층 적층 단계,를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법을 과제의 해결 수단으로 한다.

그리고, 상기 제2 금속층 적층 단계는 반복 실시하는 단계이되, 상기 반복단계에서 사용되는 금속분말은 제1 금속분말 또는 제2 금속분말이 선택적으로 사용되되, 상기 레이저빔은 주사방향이 각 단계별로 상이한 주사방향인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1 금속분말과 제2 금속분말은 각각 화학적 조성이 서로 상이한 금속이고, 상기 금속층 적층단계는 질소(N₂) 또는 아르곤(Ar) 분위기의 차폐챔버 내에서 금속분말 도포층에 레이저를 주사하여 용융시킨 금속을 적층하는 것을 특징한다.

본 발명은 3차원 성형 자유도를 활용한 기술을 구현하여 다양한 화학적 조성을 갖는 금속분말을 선택적으로 조합하여 레이저 직접용융(DLM)에 의한 경사기능성 부품을 신속하고, 정밀하게 제작이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 적용하기 위한 레이저를 이용한 3차원 성형장치를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용하여 크로스 해칭 주사 방법에 의해 금속층을 적층하는 과정을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 적용한 분쇄밀링기(KMD-1B)의 기계적 교반에 의한 합금제조공정을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분말별 사각적층물의 경도측정결과를 나타낸 그래프.
도 5 본 발명의 실시예에 따라 z축 방향으로 금속층을 적층 수행한 상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 x축 방향으로 금속층을 적층 수행한 상태를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 z축 방향으로 적층한 사각형상의 EDX 분석결과를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 z축 방향으로 적층한 사각형상의 경도분석결과를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 x축 방향으로 적층한 사각형상의 EDX 분석결과를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 x축 방향으로 적층한 사각형상의 경도분석결과를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 레이저빔 주사방향에 따라 금속층이 형성되는 과정을 나타낸 도면.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 금속분말 도포층에 레이저빔이 주사되면서 금속분말이 용융되어 금속층이 형성되는 과정을 나타낸 도면.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속분말의 경도분석결과를 나타낸 그래프.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제작하고자 하는 경사기능성 기어의 CAD 설계도면.
도 15는 도 14의 설계도면을 토대로 레이저빔 주사에 의해 금속층을 형성시키는 과정을 나타낸 도면.
도 16은 도 15의 방법에 의해 형성시킨 경사기능성 기어의 적층구조를 나타낸 도면.
도 17은 도 15의 방법에 의해 실제 제작한 경사기능성 기어를 찍은 사진.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 중심으로 상세히 설명하며, 상세한 설명에서 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 언급은 간략히 하거나 생략하였다.

본 발명은 레이저 직접용융(DLM) 공정의 쾌속성과 3차원 성형 자유도를 활용하여 경사기능성 부품을 신속하게 제작하는 방법이며, 이러한 쾌속 조형공정 중의 하나인 레이저 직접용융(DLM)공정은 3D-part를 만드는 공정으로써 3D의 모델을 여러 층으로 나눈 뒤에 한층 씩 분말을 적층하여 만드는 기술이다. 이를 위해 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 중앙처리장치(CPU)와 광섬유 레이저(fiber laser), 스캐너(scanner)를 포함하는 레이저빔 주사장치와, 그리고 분말도포장치(5), 차폐실(6), 성형 실린더(build cylinder)(7)로 이루어진 3차원 성형장치에서 CAD파일을 이용하여 적층하고자하는 모델을 만들고 레이저 스캐너에 입력하고, 모재를 성형 실린더(7)에 고정한 후 금속분말을 분말도포장치(5)를 통해서 고르게 도포한다. 그리고 차폐실(6)을 통해서 N₂ 분위기를 만든 후 중앙처리장치(CPU)의 제어에 의해 스캐너(scanner)에 입력된 CAD 파일의 도면대로 레이저빔을 주사하게 되며 금속분말이 녹아 모재와 결합하게 되고 적층이 완료되면 다음 적층을 위해 성형 실린더(build cylinder)(7)가 아래로 적층할 높이만큼 내려가게 되며 다시 분말도포장치(5)로 금속분말을 도포한 후 레이저를 주사하는 반복작업을 거쳐 원하는 형상을 만들게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법을 도 2를 중심으로 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명에 따른 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용하여 크로스 해칭 주사 방법에 의해 금속층을 적층하는 과정을 나타낸 모식도로서, 시작점을 0°, 90°, 180°, 270°로 회전시키는 크로스 해칭 주사(cross hatching scanning)방식을 이용하여 적층을 수행한다.

본 발명은 먼저 모재(B)의 상부 면에 제1 금속분말을 균일하게 도포하여 형성시킨 제1 금속분말 도포층에 레이저빔을 주사하여 용융시킨 제1 금속을 모재에 적층시키는 제1 금속층(10) 적층 단계를 실시한다. 즉, 모재(B)의 상부 면에 제1 금속분말을 균일하게 도포한 다음 시작점(starting point)에서 X축(x-axis) 방향으로 레이저를 주사하여 제1 금속분말 도포층의 제1 금속분말을 용융시켜 모재(B)의 상부 면에 제1 금속층(10)을 적층시킨다. 이때 제1 금속분말 도포층에서 레이저빔을 X축 방향으로 주사시 제작하고자 하는 부품의 형태에 따라 레이저빔의 주사회수는 반복하여 X축 방향을 따라 주사가 실시된다.

그리고 상기 단계에서 형성시킨 제1 금속층(10)의 상부 면에 제2 금속분말을 균일하게 형성시킨 제2 금속분말 도포층에 레이저빔을 주사하여 용융시킨 제2 금속을 제1 금속층(10)에 적층시키는 제2 금속층(20) 적층 단계,를 실시하여 경사기능성 부품을 제조한다. 즉, 제1 금속층(10)의 상부 면에 제2 금속분말을 균일하게 도포한 다음 시작점(starting point)에서 Y축(y-axis) 방향으로 레이저빔을 주사하여 제2 금속분말 도포층의 제2 금속분말을 용융시켜 제1 금속층(10)의 상부 면에 제2 금속층(20)을 적층시킨다. 이때 제2 금속분말 도포층에서 레이저빔을 Y축 방향으로 주사시 제작하고자 하는 부품의 형태에 따라 레이저빔의 주사회수는 반복하여 Y축 방향을 따라 주사가 실시된다.

그리고 상기 제2 금속층 적층 단계는 반복 실시하는 단계이되, 상기 반복 실시 단계에서 사용되는 금속분말은 제1 금속분말 또는 제2 금속분말이 선택적으로 사용되되, 상기 레이저빔은 주사방향이 각 단계별로 상이한 주사방향인 것을 특징으로 한다. 즉 도 2에 도시된 바와같이, 제2 금속층(20)의 상부 면에 다시 선택한 금속분말을 균일하게 도포한 다음 시작점(starting point)에서 X축(x-axis) 방향으로 레이저빔을 주사하여 선택된 금속분말 도포층의 선택 금속분말을 용융시켜 제2 금속층(20)의 상부 면에 선택된 금속층(30)을 적층시킨다. 이때 선택된 금속분말 도포층에서 레이저빔을 X축 방향으로 주사시 제작하고자 하는 경사기능성 부품의 형태에 따라 레이저빔의 주사회수는 반복하여 X축 방향을 따라 주사가 실시한다. 이와 같이 적층단계를 반복실시하면 Z축(Z-axis) 방향으로 각 금속층(10, 20, 30, ‥ n) 들이 적층되면서 원하는 경사기능성 부품이 제작되어진다.

그리고 본 발명에서 사용하는 제1 금속분말과 제2 금속분말은 제조하고자 하는 부품에 경사기능성을 부여하고자 각각 화학적 조성이 서로 상이한 금속을 선택적으로 사용한다.

예를 들면, 제1 금속분말은 Fe-16Ni-4Cr 분말을 사용하고, 제2 금속분말은 Fe-8Ni-21Cr 분말을 사용한다. 또는 제1 금속분말이나 제2 금속분말을 Fe-16Ni-4Cr 분말과 Fe-8Ni-21Cr 등과 같은 금속분말을 선택적으로 적절히 혼합한 혼합분말을 사용하기도 한다. 혼합분말은 도 3에 도시된 바와 같은 통상적인 분쇄밀링기(KMD-1B)를 사용하며, 분쇄밀링기 내부에 적절한 비율로 혼합한 혼합분말(1)을 넣고, 분말의 단순 혼합을 위해 밀링용 지르코니아 볼(zirconia ball)을 제거하고 회전임펠러(2)를 사용하여 600~800 rpm의 속도로 30~60분간 단순 교반을 실시하여 분쇄한다. 밀링 중 온도 상승으로 인한 분말 오염을 최소화하기 위하여 냉각수 저류탱크(3) 내에 냉각수를 유입시켜 순환 냉각한다.

또한 본 발명에서 상기 제1 금속층(10) 또는 제2 금속층(20) 등과 같은 금속층 적층단계는 질소(N₂) 또는 아르곤(Ar) 분위기의 차폐챔버 내에서 금속분말 도포층에 레이저빔을 주사하여 용융시킨 금속을 적층하는 것을 특징한다.

상기에서 금속분말 도포작업은 분말도포장치(5)를 사용하여 금속분말을 도포시킨다.

이하, 본 발명에 따른 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법을 하기의 실시 예를 통해 구체적으로 설명한다. 하지만, 하기 실시예 등은 모두 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 이에 의하여 본 발명이 한정되지 않는다.

1. 금속분말의 준비

입자크기가 약 20~30μm 직경을 가지는 Fe-16Ni-4Cr 분말과 입자크기가 약 8~14μm인 Fe-8Ni-21Cr 분말을 기준 분말로 이용하였다. 2가지 기준분말을 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3의 다양한 질량비율로 기계적 교반(mechanical mixing)시켜 여러 가지 조성의 분말을 얻은 후 이를 이용하여 DLM 시험을 수행하였다. 본 실시예에서는 기계적 교반은 도 3에 도시된 바와 같은 분쇄밀링기(KMD-1B)를 이용하여 수행하였다. 본 실시예에서 분말의 단순 혼합을 위해 밀링용 지르코니아 볼(zirconia ball)을 제거하여 단순 교반을 실시하였다. 교반 시간은 30분으로 하였으며 교반 회전 속도는 600rpm으로 고정하여 실험을 수행하였다. 밀링 중 온도 상승으로 인한 분말 오염을 최소화하기 위하여 냉각수로 순환 냉각 하였다. 최종적으로 얻어진 혼합분말의 최대입도는 17~23μm 이다

2. 크로스 해칭 주사방법에 의한 사각구조물의 제작

본 실시예는 도 1에 도시된 바와 같은 레이저를 이용한 3차원 성형장치를 사용하여 모재를 성형 실린더(7)에 고정한 후 금속분말을 분말도포장치(5)를 통해서 고르게 도포하고, 차폐실(6)을 통해서 N₂ 분위기를 만든 후 중앙처리장치(CPU)의 제어에 의해 스캐너(scanner)에 입력된 CAD 파일의 도면대로 레이저빔을 주사하게 되며 금속분말이 녹아 모재와 결합하게 되고 적층이 완료되면 다음 적층을 위해 성형 실린더(build cylinder)(7)가 아래로 적층할 높이만큼 내려가게 되며 다시 분말도포장치(5)로 도포한 후 레이저빔을 주사하는 반복작업을 거쳐 금속층을 적층시켰다.

본 실시예에서는 Fe-16Ni-4Cr분말과 Fe-8Ni-21Cr 분말 및 이 원료분말들을 각각의 혼합비대로 기계적 합금화(mechanical alloying)시켜 여러 가지 조성의 분말을 얻은 후 DLM 용융 특성을 파악하기 위해 사각형상 적층 실험을 실시하였다. 따라서 시작점을 0°, 90°, 180°, 270°로 회전시키는 크로스 해칭 주사(cross hatching scanning)방식을 이용하여 적층을 수행하였다.

예비 적층 시험에서 얻어진 DLM 공정 변수인 레이저 출력 200W, 주사속도 110mm/s 의 공정조건하에서, 다양한 혼합비율로 제작된 분말을 각각 레이저로 용융시켜 단일사각형상 적층 실험을 수행하였다.

도 4는 DLM 공정을 통해 형성된 적층부의 경도 분포를 나타낸 것으로 경도는 모재에서 적층부 방향으로 200μm 간격으로 측정하였다. Fe-16Ni-4Cr 용융층의 평균 경도 값은 446.4 HV로써 가장 높은 경도 분포를 보였으며 Fe-8Ni-21Cr 층은 233.7HV 가장 낮은 경도 분포를 보였다. Fe-16Ni-4Cr 분말과 Fe-8Ni-21Cr 분말의 혼합비 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3으로 제작된 분말의 용융층은 각각 303.6, 279.9, 273.7, 263.8HV의 평균경도를 보였다. 혼합비율 중 Ni분말의 상대분율이 높을수록 높은 경도를 보였고, 반면에 Cr 분말의 상대분율이 높을수록 경도가 낮았다. 따라서 본 실시예에서는 도 4 그래프의 경도분포를 토대로 다양한 분말을 임의 선택하여 적층을 수행함으로써 원하는 경사 물성을 갖는 구조물을 제작하였다.

본 실시예에서는 단일사각형상 적층의 결과를 바탕으로 분말별 차이에 따른 차등적 물성을 부여한 두 가지 경우의 복합사각형상 적층 실험을 수행하였다. 본 발명에 첨부된 도면인 도 5 및 도 6은 각각 z축 방향과 x축 방향으로 경사기능을 부여하기 위해 적층 방향으로 조성을 달리하는 분말을 레이저 적층시키는 개략도를 나타내고 있다. 도 5 및 도 6에 보인 바와 같이 Fe-16Ni-4Cr 분말과 Fe-8Ni-21Cr 분말 및 이들 금속분말을 2:1로 혼합하여 제조한 Fe-13Ni-10Cr 분말을 이용하여 적층을 수행하였다.

적층된 사각구조물의 경사기능성을 파악하기 위해서 EDX측정(HORIBA사의 7593-H)과 경도측정을 하였다. 본 발명에 첨부된 도 7의 그래프는 z축으로 적층된 구조물의 EDX 분석을 나타낸다. 도 7의 그래프는 두 가지 적층실험의 Ni과 Cr성분의 상대함량을 나타내며 함량에 상응하는 차등적 조성을 갖는 구조물이 의도한 형태로 제작되었음을 보여준다.

또한 본 발명에 첨부된 도 8의 그래프는 z축 방향으로 적층한 사각 구조물의 단면부 경도분포를 150μm 간격으로 측정한 결과를 나타낸 것이다. Fe-16Ni-4Cr 분말을 이용하여 적층한 I, V층은 약 450HV, Fe-13Ni-10Cr 분말을 이용한 II층과 IV층은 약 300HV, Fe-8Ni-21Cr 분말을 이용하여 적층한 III층은 약 230HV로 단일사각형상 적층에서 얻은 경도 결과와 유사한 평균경도분포를 보였다.

또한 x축 방향으로 적층한 사각형상도 도 9에 나타낸 그래프의 내용과 같이 Z축 적층물과 마찬가지로 EDX 분석 결과 x축 방향으로 Ni 과 Cr성분의 함량이 적층 시 사용된 분말의 함량에 상응하는 차등적 조성을 보임을 알 수 있다. 도 10에 나타난 경도는 x축 방향으로 I층의 용융층 끝단부에서 안쪽으로 500 μm 지점을 경도 측정 시작점으로 하여 V층까지 500 μm의 일정간격으로 측정하였다. I층의 Fe-16Ni-4Cr 층인 500~2500μm구간에서는 약 450HV의 일정한 분포를 보이다가 II층의 Fe-13Ni-10Cr층인 3500μm지점에서는 약 300HV로 감소한 후 5500μm까지 일정한 경도분포를 보였다. III층의 Fe-8Ni-21Cr 층인 6500~8500μm구간에서는 230HV로 감소하다가 IV층에서 V층으로 갈수록 평균경도가 각각 300, 450HV 수준으로 증가하였다.

이상의 단순 및 복합 사각형상 적층 실험 결과를 볼 때 여러 조성의 분말을 선택적으로 사용하여 각 층마다 차등적인 물성을 가지는 구조물을 DLM 공정을 통해 제작할 수 있으며, 분말의 혼합 비율을 선택적으로 조절하여 원하는 경사물성을 제한 없이 구현할 수 있음을 알 수 있다.

3. 경사기능성 기어의 제작

본 실시예는 도 1에 도시된 바와 같은 레이저를 이용한 3차원 성형장치를 사용하여 상기 2의 금속층의 적층방법과 동일한 방법에 의해 경사기능성 기어를 제작하였다.

DLM공정을 수행하기위해 모재는 AISI-D2를 사용하고 조성은 12%Cr, 1.5%C, 1%Mo, 0.45%Mn, 0.35%V, 0.25%Si 이다. 그리고 실험을 위해 입자크기가 30um 인 Fe-Ni-Cr분말과 입자크기가 20um인 Fe-Cr-Ni분말을 사용하였다. 경사기능성 소재를 얻기 위해서 2개의 분말을 기계적으로 합금한 분말의 화학적 조성은 아래 [표 1]의 내용과 같다.

(단위 : 중량%)

I.D.	Mixing Ratio	Fe	Ni	Cr	Al	Si	Cu	S	Mo	Mn
FA	100%A: 0%B	Bal.	15.69	3.96	0.76	0.72	0.32	0.24	0.12	-
3A1B	75%A: 25%B	Bal.	13.83	8.26	0.64	0.74	0.31	0.21	0.15	0.50
2A1B	67%A: 33%B	Bal.	13.21	9.70	0.60	0.74	0.30	0.20	0.15	0.67
1A1B	50%A: 50%B	Bal.	11.97	12.57	0.52	0.76	0.29	0.18	0.17	1.01
1A2B	33%A: 67%B	Bal.	10.73	15.43	0.44	0.77	0.28	0.16	0.18	1.35
1A3B	25%A: 75%B	Bal.	10.11	16.87	0.40	0.78	0.28	0.15	0.19	1.51
FB	0%A: 100%B	Bal.	8.25	21.17	0.28	0.79	0.2 6	0.12	0.21	2.02
A powder: Fe-16Ni-4Cr B powder: Fe-21Cr-8Ni

레이저 파워를 100W-200W, 레이저 주사속도는 75~220mm/s, 분말 도포두께는 0.1mm로 지정하고 파워와 주사속도를 변수로 기초실험을 수행한 결과 레이저 파워는 200W, 주사속도는 110mm/s, 분말 도포두께는 0.1mm의 조건이 적층된 표면에 결함이 없는 최적의 조건이였다. 이를 토대로 상기 [표 1]에 기재된 7가지의 조성이 다른 분말을 사용하여 사각적층 시험을 수행하였다.

도 11 및 도 12는 적층되는 순서를 나타낸 것으로 각각의 layer는 한층을 나타내며 타원안의 숫자는 레이저가 지나가는 순서를 나타낸다. 즉 1번부터 6번까지 레이저가 주사되며 레이저의 간격은 60um이다. 1~6번까지가 한층으로 적층이 되고 다시 분말을 도포하고 레이저를 주사하며 이를 반복하여 적층해나간다. 처음 레이저가 시작하는 부분이 에너지의 밀도가 높아서 사각형의 모서리 부분이 올라오므로 이를 상쇄시키기 위해 2nd layer를 적층할 때 시작점을 90°회전시켜서 주사를 진행하고 그 위층에는 다시 90°를 회전시켜 반복 작업을 진행하여 모서리부분이 올라오는 것 상쇄시키는 크로스 해칭(cross-hatching) 주사 방식을 사용하여 적층을 수행하였고 최종 형상의 높이는 3mm를 적층하였다.

도 13은 상기 [표 1]에 기재된 7가지의 조성이 다른 분말을 사용하여 사각적층 수행하여 각 분말 조성의 경도를 파악하고, 그 경도 그래프를 통해서 원하는 재료의 경도를 파악하여 이를 토대로 3가지 물성을 가지는 경사기능성 기어를 제작하였다.

기어를 만들기 위해 CAD를 통해서 도 14에 나타낸 바와 같이 3가지 분말을 사용하기 위한 영역을 모델링하였다. CAD모델링을 토대로 적층을 수행하였으며 수행조건은 사각형 적층 시험과 같은 조건으로 수행하였다. 이때 사용한 3가지 분말은 Fe-16Ni-4Cr, Fe-13Ni-10Cr(2A1B), Fe-8Ni-21Cr(FA)를 사용하였다. 적층작업은 도 15에 나타낸 바와 같이 3가지 분말을 차례대로 안에서부터 적층 후 레이저빔을 주사하여 한 스텝(step)씩 진행하였다. 도 15에 도시된 바와 같이 3가지 분말을 차례대로 안에서부터 적층 후 레이저를 주사하여 한 스텝(step)씩 진행하였다. 이렇게 세가지 스텝(step)을 통해서 한층을 완성하였다.

이러한 적층과정을 반복하고 난 후의 경사기능성 기어의 적층 구조는 도 16에 도시된 바와 같은 구조이고, 이와 같은 구조를 갖는 경사기능성 기어를 실제 제작하여 찍은 사진을 도 17에 나타내었다. 도 17(a)는 실험한 후 후처리를 하지 않은 기어의 표면이며, 도 17(b)는 폴리싱을 하여 후처리한 기어의 사진이다. 사진에서 볼 수 있듯이 폴리싱 후에는 3가지 분말의 경계에 결함이 없이 깔끔한 모습을 볼 수 있다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법을 설명하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

S : 모재 10 : 제1 금속층
20 : 제2 금속층 30 : 제3 금속층

Claims

모재의 상부 면에 제1 금속분말을 균일하게 도포하여 형성시킨 제1 금속분말 도포층에 레이저빔을 주사하여 용융시킨 제1 금속을 모재에 적층시키는 제1 금속층 적층 단계,
상기 제1 금속층의 상부 면에 제2 금속분말을 균일하게 형성시킨 제2 금속분말 도포층에 레이저빔을 주사하여 용융시킨 제2 금속을 제1 금속층에 적층시키는 제2 금속층 적층 단계,
를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 제2 금속층 적층 단계는 반복 실시하는 단계이되,
상기 반복단계에서 사용되는 금속분말은 제1 금속분말 또는 제2 금속분말이 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 레이저빔은 주사방향이 각 단계별로 상이한 주사방향인 것을 특징으로 하는 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 제1 금속분말과 제2 금속분말은 각각 화학적 조성이 서로 상이한 금속인 것을 특징으로 하는 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속층 적층단계는 질소(N₂) 또는 아르곤(Ar) 분위기의 차폐챔버 내에서 금속분말 도포층에 레이저빔을 주사하여 용융시킨 금속을 적층하는 것을 특징으로 하는 선택적 조성을 갖는 금속분말의 레이저 직접용융과 3차원 성형 자유도를 활용한 경사기능성 부품의 제조방법.