KR20160064377A - 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속분말을 토너로 사용하는 3차원 메탈프린터를 이용하여 금속분말을 반 용융시켜 세로줄과 가로줄이 직교하는 격자무늬 형상이 일정높이로 적층되는 다공성 패드를 제작하는 것이 특징인 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법에 관한 것이다.
따라서, 본 발명 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법은 3차원 메탈프린터를 이용하여 다공성 패드를 제작함으로써 설비시설이 없어 제작이 간단하며, 제작 시간과 비용이 적게 들며, 또한 숙련된 기술자가 아니라도 누구나 쉽게 제작할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

Description

3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법{Method for manufacturing porus pad using three dimensional metal-print}

본 발명은 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 곡면 윈도우글라스 등을 제작하는데 사용되는 다공성 패드를 3차원 메탈프린터를 이용하여 제작하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 윈도우 글라스(Window Glass)는 스마트폰, 스마트 패드, 태블릿 PC뿐 아니라 웨어러블 디바이스(Wearable Device)의 가장 외관에 위치하는 것으로, 디스플레이 판넬(Display Panel)을 보호하는 역학을 수행함과 동시에 사용자가 제일 먼저 보고 접촉하는 부품이다.

그리고 윈도우 글라스와 같은 부품을 제작하기 위해서는 복수의 기공이 형성되어 있는 다공성 패드가 장착되어 있는 금형을 사용해야만 한다.

종래기술로서, 등록특허공보, 등록번호 제10-0541746호(다공성 핀홀을 갖는 금형 사출물의 제작방법)에 의하면, 상기 다공성 핀홀을 갖는 금형 사출물의 제작방법에 의하면, IC칩 테스트용 소켓 등과 같은 다공성 핀홀을 갖는 금형 사출물의 제작방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 다공성 핀홀을 갖는 금형 사출물의 제작방법은 (a)스프루를 통하여 사출기 내로 용융수지가 주입되어 고화되는 단계; (b)상기 사출기가 작동되어 3번 형판이 2번 형판과 분리되면서, 런너와 게이트가 절단되는 단계; (c)상기 2번 형판에 고정된 제1풀러볼트의 타측 끝단에 체결된 스톱링에 의해 3번 형판이 더 이상 벌어질 수 없게 되면, 2번 형판이 1번 형판과 분리되면서, 1번 형판과 결합된 런너가 분리되는 단계; (d)상기와 동시에 4번 형판이 3번 형판으로부터 분리되는 단계; (e)상기 3번 형판과 4번 형판을 연결하는 제2풀러볼트에 의해 4번 형판이 더 이상 벌어질 수 없게 되면, 5번 형판이 4번 형판과 분리되면서, 5번 형판과 결합된 핀 블록이 사출물로부터 분리되는 단계; (f)상기와 동시에 4번 형판과 7번 형판이 리턴핀으로 연결되어 함께 이동되는 단계; (g)상기 7번 형판을 별도의 취출 유닛으로 작동시켜 7번 형판과 결합된 밀핀을 이용하여 사출물이 취출되도록 하는 단계를 포함한다고 기재되어 있다.

또한, 또 다른 종래기술로서, 등록특허공보, 등록번호 제10-1133096호(다공 펀칭금형 장치)에 의하면, 상기 다공 펀칭금형 장치는 프레스 기계에 장착되며, 경질의 패널본체와 상기 패널본체의 상면에 부착되는 연질의 바닥타일로 구성된 패널본체-바닥타일 조립체 또는 단일층의 평판에 다수개의 유통공을 형성시킬 수 있는 펀칭금형 장치로서, 기설정 간격으로 배치되는 다수개의 천공핀과, 상기 다수개의 천공핀의 하단을 지지하는 하부 베이스부와, 상기 하부 베이스부의 상측에 유격을 갖는 상태로 상기 하부 베이스부에 구속되게 배치되며, 상기 다수개의 천공핀이 승강될 수 있도록 상기 다수개의 천공핀을 안내하고 천공 작업시 상면에 위치되는 상기 패널본체-바닥타일 조립체 또는 상기 단일층의 평판을 지지하는 상판부를 포함하는 하부 금형부; 상기 다수개의 천공핀과 대응되게 배치되는 다수개의 대응핀과, 상기 다수개의 대응핀을 지지하는 상부 베이스부와, 상기 상부 베이스부의 하측에 유격을 갖는 상태로 상기 상부 베이스부에 구속되게 배치되며, 천공 작업시 상기 천공핀을 따라 승강될 수 있도록 상기 다수개의 대응핀을 안내하는 하판부를 포함하는 상부 금형부; 및 상기 하부 금형부와 상기 상부 금형부의 양측 주변부에 피메일부와 메일부의 형태로 대응되게 제공되고 상기 하부 금형부와 상기 상부 금형부의 형합 또는 분리 작업을 안내하는 가이드부;를 포함하는 것을 특징으로 한다고 기재되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 금형으로 윈도우글라스 제품을 만들 경우, 다공성 내부에 장착되는 다공성 패드에 형성된 구멍이 일정하지 않아 원하는 정도의 유리의 표면 조도 및 빛 투과율을 맞추기 위한 노력이 상당량 필요할 뿐 아니라, 직경이 다른 다수의 연삭휠을 바꿔가며 곡률에 대한 연삭 가공시, 주어지는 큰 저항으로 인해 스크래치나 글라스의 파손율이 높고, 무엇보다도 연삭가공 시간이 많이 소요되어 생산성이 크게 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 상당한 두께의 금속에 복수의 기공을 형성하는 작업은 매우 어려운 작업으로서 숙련된 기술자만이 제작할 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 3차원 메탈프린터를 이용하여 다공성 패드를 제작하기 때문에 설비시설과 제작비용에 대한 부담이 적어 누구나 쉽게 다공성 패드를 제작할 수 있어 다공성 패드가 필요한 즉시 제작할 수 있는 다공성 패드의 제작방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법은 금속분말을 토너로 사용하는 3차원 메탈프린터를 이용하여 금속분말을 반 용융시켜 세로줄과 가로줄이 직교하는 격자무늬 형상이 일정높이로 적층되는 다공성 패드를 제작하는 것이 특징이다.

따라서, 본 발명 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법은 3차원 메탈프린터를 이용하여 다공성 패드를 제작함으로써 설비시설이 없어 제작이 간단하며, 제작 시간과 비용이 적게 들며, 또한 숙련된 기술자가 아니라도 누구나 쉽게 제작할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 다공성 패드 사진.
도 2는 본 발명 3차원 메탈프린터를 이용하여 제작된 다공성 패드의 다양한 실시 사진.
도 3은 본 발명 다공성 패드를 제작하는 개요도.
도 4는 본 발명 다공성 패드를 이용하여 윈도우 글라스를 성형하는 제작개요도.
도 5는 3차원 메탈프린터용 금속분말의 제조공정도.
도 6은 3차원 메탈프린터용 금속분말의 또 다른 제조공정도.
도 7은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 실험장치.
도 8은 도 7의 A부분의 상세 확대도.
도 9는 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 전단작업 후의 표면사진.
도 10은 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 전단작업 후의 버(Burr)발생량 비교표.
도 11은 3차원 메탈프린터용 금속분말의 경도 비교표.

본 발명 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법은 금속분말을 토너로 사용하는 3차원 메탈프린터를 이용하여 금속분말을 반 용융시켜 세로줄과 가로줄이 직교하는 격자무늬 형상이 일정높이로 적층되는 다공성 패드(1)를 제작하는 것이 특징이다.

상기 격자무늬 형상으로 제작된 다공성 패드(1)의 상하면을 연마하는 것이 특징이다.

그리고 상기 금속분말은 Ti인 것이 특징이다.

이하, 본 발명 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 다공성 패드 사진이며, 도 2는 본 발명 3차원 메탈프린터를 이용하여 제작된 다공성 패드의 다양한 실시 사진이고, 도 3은 본 발명 다공성 패드를 제작하는 개요도이다.

참고로 금속분말을 토너로 사용하여 3차원 물체를 프린팅하는 기기를 3차원 메탈프린터라고 칭한다.

본 발명 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법은 금속분말을 토너로 사용하는 3차원 메탈프린터를 이용하여 금속분말을 반 용융시켜 세로줄과 가로줄이 직교하는 격자무늬 형상이 일정높이로 적층되는 다공성 패드(1)를 제작하는 것이 특징이다.

즉, 금속분말을 3차원 메탈프린터 내에서 반 용융상태가 되도록 하여 복수의 세로줄과 가로줄이 서로 직교하여 격자무늬 형상의 플레이트로 제작을 한 후, 재차 3차원 메탈프린터를 이용하여 수직으로 세로줄과 가로줄이 일정높이 적층되도록 함으로써 복수의 기공(2)이 형성되어 있는 금속재질의 다공성 패드(1)를 제작하는 것이다.

이에, 도 3에 도시된 바와 같이 격자무늬를 가지되 다양한 형상으로 제작된 다공성 패드(1)의 제작방법의 일 예는 다음과 같다.

평면상의 좌표를 xy좌표로 도시하면, 제1방법으로 먼저 3차원 메탈프린터를 구동시켜 반 용융상태가 된 금속분말을 x축 상으로 원하는 길이만큼 직선이동시켜 하나의 가로줄을 형성한다.

그리고 3차원 메탈프린터가 되돌아 올 때, x축 상으로는 변위가 바뀌지 않으나 y축 상으로는 변위를 가지도록 하여 또 하나의 가로줄을 나란하게 형성하며, 이러한 동작을 반복함으로써 복수의 가로줄을 형성하게 된다.

다음으로 복수의 세로줄을 형성하기 위해서는 최초 영점위치로 3차원 메탈프린터가 위치하게 된 후, y축 상으로 원하는 길이만큼 직선이동하게 되어 하나의 세로줄을 형성하게 되며, 마찬가지로 3차원 메탈프린터는 되돌아 올 때, y축 상으로는 변위가 바뀌지 않으나 x축 상으로는 변위를 가지도록 하여 또 하나의 세로줄을 나란하게 형성하며, 이러한 동작을 반복함으로써 복수의 세로줄을 형성하게 된다.

이러한 동작에 의해 복수의 세로줄과 가로줄에 의해 형성된 격자무늬의 플레이트가 수직으로 일정한 높이를 가지도록 적층되면 금속재질의 다공성 패드(1)가 되는 것이다.

제2방법으로는 먼저 3차원 메탈프린터가 x축 상으로 지정된 길이만큼 직선이동된 후, 원위치로 돌아오지 않고 y축 상으로 변위를 가진 후, x축 상의 원점으로 돌아오게 되며, 이러한 동작을 반복하여 복수의 가로줄을 생성하게 된다.

y축 상으로 변위를 가질 때는 3차원 메탈프린터의 프린팅 동작은 일어나지 않고 단순 이동만 하는 것이다.

그리고 복수의 가로줄을 생성한 후에는 3차원 메탈프린터가 원점으로 이동하여 y축 상으로 지정된 길이만큼 직선이동된 후, 원위치로 돌아오지 않고 x축 상으로 변위를 가지게 되어, y축 상의 원점으로 돌아오게 되는 것이다.

이 순간에도 3차원 메탈프린터의 프린팅 동작은 하지 않고 단순 이동하는 동작만 일어나게 된다.

이러한 동작을 반복하여 복수의 세로줄을 생성하게 되어 격자무늬의 플레이트가 되며, 수직으로 일정한 높이를 가지도록 적층 되면 금속재질의 다공성 패드(1)가 되는 것이다.

제3방법으로는 3차원 메탈프린터가 x축 상으로 지정된 길이만큼 직선이동된 후, 원위치로 돌아오지 않고 지속적인 프린팅 동작을 하면서 y축 상으로 변위를 가진 후, x축 상의 원점으로 돌아오게 되며, 이러한 동작을 반복하여 복수의 가로줄을 생성하게 된다.

따라서, 프린팅 동작이 끊기지 않고 y축 상으로 이동하기 때문에 가로줄은 처음부터 끝까지 끊기지 않고 연속해서 생성되게 된다.

그리고 가로줄의 형성이 완료하게 되면, 3차원 메탈프린터는 영점 상으로 이동하게 되며, y축 상으로 지정된 길이만큼 직선이동된 후, 원위치로 돌아오지 않고 지속적인 프린팅 동작을 하면서 x축 상으로 변위를 가진 후, y축 상의 원점으로 돌아오게 되며, 이러한 동작을 반복하여 복수의 세로줄을 생성하게 된다.

세로줄 역시 가로줄과 마찬가지로 처음부터 끝까지 끊기지 않고 연속해서 생성되어 하나의 플레이트가 되며, 수직으로 일정한 높이를 가지도록 적층 되면 금속재질의 다공성 패드(1)가 되는 것이다.

상술한 가로줄과 세로줄의 생성순서는 바뀔 수도 있다.

도 4는 본 발명 다공성 패드를 이용하여 윈도우 글라스를 성형하는 제작개요도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 윈도우 글라스를 성형하는 금형은 진공의 흡착력이 제공되는 하부 측에 위치한 진공금형(4)과, 열풍이 제공되는 상부 측에 위치한 열풍금형(3)으로 구성된다.

상기 진공금형(4)에는 다공성 패드(1)가 내부에 안착하게 되며, 진공흡인라인(도면 미도시)과 연결되어 다공성 패드(1)에 형성된 기공(2)에 의해 진공흡입력이 발생하게 되고, 상기 상부 열풍금형(3)도 다공성 패드(1)가 내부에 안착되며, 열풍공급라인(도면 미도시)과 연결되어 다공성 패드(1)에 형성된 기공(2)에 의해 열풍이 외부로 토출되게 한다.

그리고 상기 하부의 진공금형(4)과 상부의 열풍금형(3) 사이에는 박판유리(5)가 개재되며, 상기 박판유리(5)는 상부의 열풍금형(3)에 의해 연화온도까지 가열된다.

그 후, 상기 박판유리(5)는 하부에 위치한 진공금형(4)의 진공 흡착력에 의해 진공금형(4)의 상부 면과 동일한 형상으로 성형되는 것이다.

이에, 상기 금속분말은 고온에서 견디는 Ti인 것이 바람직하며, 경우에 따라 금속분말은 그 조성을 달리하여 내마모성을 높이기도 한다.

하기에는 일실시 예로서 내마모성과 내열성을 모두 높인 금속분말의 제조방법을 나타낸 것이다.

이러한 금속분말은 중량%로 Cr 8∼10%, Si 2∼3%, C 0.3∼0.4%, Mn 2∼3%와 잔부가 Fe로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Cr은 내식성 및 기계적 성질이 우수한 금속으로 Cr의 조성성분이 8% 미만이면 Cr의 조성효과가 미비하며, 10%를 초과하면 함유량의 증가에 비해 Cr으로 인해 얻는 효과가 미비하기에 가격 대비 효율이 떨어지게 된다.

참고로 Cr이 12% 이상이면 스테인리스강이라 부른다.

C는 함유량에 따라 강의 강도와 경도와 같은 강의 성질이 변하는 원소로서, 대부분 열처리가 가능한 0.1∼1.5% 함유되어 있으며, 본 발명의 금속분말에서는 0.3∼0.4%를 사용한다.

Mn은 단단하고 금속합금시 내식성과 기계적 성질을 높이기 위해 필요한 원소로서, 조성성분이 2% 미만이면 그 효과가 미비하며, 3%를 초과하면 함유량의 증가에 비해 얻어지는 효과가 작다.

Si는 화학반응이 거의 없기 때문에 다른 금속의 표면에 이를 성장시키는 원소로서 조성성분이 2% 미만이며 효과가 미비하며, 3%를 초과하면 투입되는 함유량에 비해 얻어지는 효과가 작다.

특히, Mn과 Si는 탈산제로서 제강시 필요한 원소이다.

도 5는 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말의 제조공정도이다.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 제조하는 1단계 공정으로서 금속분말을 이루는 조성성분인 금속소재들을 준비하여 지정된 중량비대로 혼합하게 된다.

1단계 공정에서 혼합된 금속소재들은 분쇄기에서 분쇄하여 금속분말로 만드는 2단계 공정을 거치게 된다.

그리고 3단계 공정으로서 2단계에서 생성된 금속분말은 체질기를 통해 체질하여 지정된 입자의 금속분말과 이물질 및 큰 입자의 금속분말을 분류해내게 되는 것이다.

도 6은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말의 또 다른 제조공정도이다.

본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 제조하는 1단계 공정으로서 금속분말을 이루는 조성성분인 금속소재를 각각 준비하게 된다.

이렇게 준비된 상기 금속소재들은 각각 분쇄기에서 분쇄하여 금속분말로 만드는 2단계 공정을 거치게 된다.

그리고 2단계에서 생성된 각각의 금속분말을 체질기에서 체질하여 지정된 입자크기의 금속분말을 분류해내는 3단계 공정을 거치게 되며, 끝으로 4단계 공정으로서 3단계에서 분류된 각각의 금속분말을 지정된 중량비대로 혼합하게 된다.

상술한 금속분말이 적용되는 실험은 다음과 같다.

도 7은 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 실험장치이며, 도 8은 도 7의 A부분의 상세 확대도이다.

도 7과 도 8에 도시된 바와 같이 23F85 금속소재를 기본으로 하고, 전단작업시 재료에 직접 접하는 상·하부의 날부에 각각 용접과 적층 그리고 화염열처리를 통해 제작된 전단금형을 제작한다.

이렇게 제작된 전단금형으로 전단작업을 하여 경도를 비교하게 된다.

도 9는 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 전단작업 후의 표면사진이다.

도 9에 도시된 바와 같이 화염열처리를 통한 것보다는 용접이나 적층으로 이루어진 전단금형이 상대적으로 표면이 매끄럽고 깨끗하다는 것을 알 수 있다.

도 10은 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 전단작업 후의 버(Burr)발생량 비교표이다.

전단금형의 모재인 23F5 주강 스틸에 이종소재인 본 발명 금속분말을 적층한 결과 적층 안정성을 나타낸 것으로, 적층 후 12,000타 전단작업 후 스틸표면에 스크래치 발생량이 용접 및 원소재 열처리 조건보다 작게 발생함을 확인할 수 있다.

도 11은 3차원 메탈프린터용 금속분말의 경도 비교표이다.

본 발명에 의해 금속분말은 대체로 용접봉을 이루는 조성성분과 비슷하기에 용접봉의 소재인 SKD11분말과 SKD61분말을 적층하여 경도를 비교하였으며 도 11에 도시된 바와 같이 실험에 따르면 본 발명의 금속분말에 의해 제조된 전단금형의 경도가 가장 우수하다는 것을 알 수 있다.

한편, 상기 금속분말은 자체를 사용하거나 또는 SKD11, SKD61 하나 또는 둘을 혼합해도 된다.

따라서, 본 발명 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법은 3차원 메탈프린터를 이용하여 다공성 패드를 제작함으로써 설비시설이 없어 제작이 간단하며, 제작 시간과 비용이 적게 들며, 또한 숙련된 기술자가 아니라도 누구나 쉽게 제작할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

1. 다공성 패드 2. 기공 3. 열풍금형
4. 진공금형 5. 박판유리

Claims (3)

1. 진공금형과 열풍금형에 사용되는 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법에 있어서,
   금속분말을 토너로 사용하는 3차원 메탈프린터를 이용하여 금속분말을 반 용융시켜 세로줄과 가로줄이 직교하는 격자무늬 형상이 일정높이로 적층되는 다공성 패드(1)를 제작하는 것이 특징인 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 격자무늬 형상으로 제작된 다공성 패드(1)의 상하면을 연마하는 것이 특징인 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 금속분말은 Ti인 것이 특징인 3차원 메탈프린터를 이용한 다공성 패드 제작방법.
   

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