KR20160097565A - 적층가공을 통한 고강도 3차원 구조체 제조방법 및 이를 위한 합금재료 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 재료를 순차적으로 적층하는 3차원 프린팅 방식으로 3차원 구조체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 재료물질을 적층하기 위하여 가해지는 열원의 온도(T)가 Tg+(0.1*ΔTx)≤T≤Tx 범위(Tg는 유리천이온도, ΔTx는 과냉각 액체영역 온도범위, Tx는 결정화 개시온도)인 것 또는 열원의 지속시간이 결정화 개시 시간(tx) 이내로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상대적으로 낮은 열에너지를 사용하여 금속 재질의 3차원 구조체를 프린팅함으로써, 결국 3차원 프린터에 장착되는 열에너지원의 가격이 감소하고 공정제어가 용이하여 금속 재질의 3차원 프린팅 비용이 감소하는 효과가 있다.
또한, 비정질 합금의 과냉각 액체상태를 활용하여 상대적으로 낮은 온도의 열에너지를 사용함으로써, 금속 재료의 열팽창과 수축에 의한 문제 및 고온 산화에 의한 문제가 저감되는 뛰어난 효과가 있다. 이에 더하여 항복 강도가 0.5~5 GPa 범위이고 항복 한계 변형률이 1.0 % 이상인 우수한 기계적 특성을 갖는 비정질 합금재료를 이용함으로써 고강도의 3차원 구조체를 제작하는 것이 가능하다.
본 발명은, 상대적으로 낮은 열에너지를 사용하여 금속 재질의 3차원 구조체를 프린팅함으로써, 결국 3차원 프린터에 장착되는 열에너지원의 가격이 감소하고 공정제어가 용이하여 금속 재질의 3차원 프린팅 비용이 감소하는 효과가 있다.
또한, 비정질 합금의 과냉각 액체상태를 활용하여 상대적으로 낮은 온도의 열에너지를 사용함으로써, 금속 재료의 열팽창과 수축에 의한 문제 및 고온 산화에 의한 문제가 저감되는 뛰어난 효과가 있다. 이에 더하여 항복 강도가 0.5~5 GPa 범위이고 항복 한계 변형률이 1.0 % 이상인 우수한 기계적 특성을 갖는 비정질 합금재료를 이용함으로써 고강도의 3차원 구조체를 제작하는 것이 가능하다.
Description
본 발명은 적층가공을 통한 고강도 3차원 구조체 제조방법 및 이를 위한 합금재료에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 기존 금속 기반 3차원 프린팅 기술에 비해 상대적으로 저온 영역에서 원료 소재를 경화시켜 고강도 3차원 구조체 제조가 가능한 3차원 프린팅 기술과 이를 위한 비정질 금속 원료 소재에 관한 것이다.
최근 입체형상의 제품을 쉽게 만들 수 있는 3차원 프린팅 기술이 상용화되어 효과적으로 사용되고 있다.
현재의 3차원 프린팅 방법으로는 FDM(Fused Deposition Modeling), DLP(Digital Light Processing), SLA(Stereolithography Apparatus) 및 SLS(Selective Laser Sintering) 방식이 주로 사용되고 있다.
FDM은 ABS나 PLA와 같은 폴리머 물질을 한 층씩 적층하여 조금씩 쌓아 올리는 방법이고, DLP는 UV광원을 이용하여 UV 경화성 수지를 조금씩 굳혀가면서 프린팅하는 방법이고, SLA는 UV레진을 재료로 하여 레이저 프린팅과 같은 방법으로 적층하는 방법이다. 이러한 FDM이나 DLP 또는 SLA 등 현재 활발하게 응용되고 있는 3차원 프린팅 기술은 대부분 폴리머(polymer) 원료 소재를 이용한다. 이는 폴리머 소재가 투명 소재와 더불어 다양한 색상의 구현이 가능하고, 유리천이온도(glass transition temperature, Tg)를 이용하여 낮은 온도에서의 경화 및 적층이 가능하며, 다양한 종류의 적층 공정에 대부분 적용 가능하다는 장점을 가짐에 기인한다. 그러나 3차원 프린팅용 폴리머 원소재의 가격은 일반 사출성형용 폴리머에 비하여 매우 비싸고, 기계적 강도와 고온 안정성이 낮아서 적용분야에 제한이 크다는 단점을 가진다.
적층 공정 기술이 거의 완성 단계에 진입한 폴리머 기반 3차원 프린팅 기술에 비해, 금속 소재 기반 3차원 프린팅 기술은 아직 기술 개발의 초입 단계에 머무르고 있다. 이는 금속 소재 적층의 경우에는 폴리머에 비하여 매우 고온 환경에서의 적층 공정이 요구되며 이에 따라 고출력의 열원이 필요하기 때문이다. 또한 3차원 프린팅 기술에 사용될 수 있는 금속 원료 소재가 매우 제한적이며, 현재는 주로 Ti계 합금, Ni 또는 Co 함유 특수 합금 등이 사용되며 Cu 합금, Al 합금, 스테인리스 스틸(Stainless steel) 소재 등도 일부 사용되고 있다. 하지만 일반적으로 금속 소재는 폴리머 소재에 비해 우수한 기계적 특성을 가지고, 3차원 프린팅용 폴리머 원료 소재에 비해 원료 소재 비가 저렴하며, 폴리머 재질로서 적용하기 어려운 의료 및 바이오산업 분야와 우수한 기계적 강도가 요구되는 산업 분야 등에 적용 가능성이 매우 높다. 이러한 금속 소재 기반 3차원 프린팅 기술로는 레이저의 강한 에너지를 사용하여 분말형태 재료의 전체 또는 일부를 녹여 붙여서 소결하는 방법인 SLS 방법이 대표적이며, 이 경우 레이저의 에너지에 따라서 재료물질이 폴리머에 한정되지 않고 금속이나 세라믹 분말을 사용할 수도 있다. 이외에 금속 재료를 3차원 프린팅하기 위한 방법으로 LMD(Laser Metal Deposition), EBF3(Electron Beam freeform fabrication), DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 및 EBM (Electron Beam Melting) 등이 개발되었다. 하지만 이러한 금속 원료 소재를 통한 3차원 가공의 경우는 소결을 위해 고성능의 레이저나 전자빔 장비 등을 사용하기 때문에 장비의 가격이 비싸지고 공정제어가 어려워져 결국 제조비용이 높아지는 단점이 있다. 또한, 프린팅 과정에서 고온으로 가열되는 금속 재료가 산화되는 문제가 발생한다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존 금속 기반 3차원 프린팅 기술에 비해 상대적으로 저온 영역에서 원료 소재를 경화시켜 고강도 3차원 구조체 제조가 가능한 3차원 적층 기술과 이를 위한 비정질 금속 원료 소재를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 3차원 구조체 제조방법은, 재료물질을 순차적으로 적층하여 3차원 구조체를 제조하는 방법으로서, 상기 재료물질이 비정질 합금 재질이고, 상기 재료물질을 적층하기 위하여 가해지는 열원의 온도(T)가 Tg+(0.1*ΔTx)≤T≤Tx 범위(Tg는 유리천이온도, ΔTx는 과냉각 액체영역 온도범위, Tx는 결정화 개시온도)인 것 또는 열원의 지속시간이 결정화 개시 시간(tx) 이내로 하는 것이 바람직하며, 이 때 3차원 구조체를 용이하게 적층하기 위하여 비정질 합금의 점성이 10-3 Pa·s 내지 1010 Pa·s의 범주인 것이 좋다. 이러한 비정질 합금의 과냉각 액체상태 구현은 일반적으로 고체 상태의 비정질 합금을 가열하여 확보하는 것이 용이하나, 비정질 합금의 액체 상태에서 냉각을 통해서도 확보하는 것도 가능하다.
비정질 합금의 경우 Tg(유리천이온도)를 거치면서 점성유동이 시작되나 연속가열시 뉴토니안 점성유동을 통해 3차원 구조체를 만들기 위한 이상적인 공정이 가능한 유동성을 확보한 상태(ideal processing condition)를 만들기 위해서는 추가적인 가열이 필요하며, 추가적 가열온도는 ΔTx(과냉각 액체영역 온도범위, Tx-Tg)의 0.1배 정도이므로, 최소 온도를 Tg보다 0.1*ΔTx이상 높은 온도로 설정하는 것이 바람직하다.
결정화 개시시간(tx)은 등온 가열시 과냉각 액체영역 내에서 점성의 급격한 감소가 일어나는 시간으로서 결정화가 시작되어 점성유동을 이용한 공정이 불가능한 시간이므로, 열원의 지속시간은 이러한 결정화 개시시간 이내로 제한하는 것을 바람직하다.
본 발명은 상대적으로 낮은 열에너지를 사용하여 금속 재질의 3차원 구조체를 3차원 프린팅함으로써, 공정제어가 상대적으로 용이하고, 3차원 프린터에 장착되는 열에너지원의 가격이 감소하여 금속 재질의 3차원 프린팅 비용이 감소하는 효과가 있다.
일반적으로 비정질 합금은 결정질 합금에 비해 표면 특성이 우수하나, 표면 특성조절을 위해 비정질 합금 3차원 구조체를 제조한 뒤에 기계적 가공 또는 화학적 에칭을 수행하여 표면 거칠기를 제어하는 공정을 추가적으로 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 의한 3차원 구조체 제조용 합금재료는, 상기한 3차원 구조체 제조방법에서 사용되는 합금재료로서, 비정질 기지 합금 재료인 것을 특징으로 한다. 비정질 합금은 비정질 폴리머와 유사하게 특성온도 구간인 과냉각 액체영역을 갖기 때문에 상기한 3차원 구조체 제조 방법에 적합하다. 특히, 양산성을 고려하여 대량 생산에 적합한 비정질 합금 시스템인 IIA 족 Mg 계와 Ca 계, IIIA 족 Al 계, 그리고 전이 금속인 Ti 계, Zr 계, Hf 계, Fe계, Co계, Ni 계 그리고 Cu계 비정질 합금 중에서 선택된 하나의 재질이 바람직하다.
비정질 합금의 유리천이온도(Tg)는 절대온도 기준으로 융점(Tm)의 0.4~0.7배 범위에 존재하기 때문에 상대적으로 낮은 열에너지를 사용하여 3차원 프린팅이 가능하다. 다만, 유리천이온도(Tg)와 결정화 개시온도(Tx)의 차이가 10 K 이상인 비정질 합금을 사용하는 경우에 넓은 과냉각 액체영역으로 인하여 공정이 편리하다.
비정질 금속은 결정질 금속이 가지고 있는 결정립계 등의 결함영역이 없기 때문에 재료가 가지고 있는 이론 강도에 상대적으로 가까운 커다란 강도 값 (0.5 GPa~5 GPa)을 가지게 되며, 기존 결정질 SUS 금속 기판의 0.5% 이하의 항복 변형률(yield strain) 보다 월등히 우수한 1.0% 이상의 항복변형율 값을 가져 우수한 기계적 특성을 나타내며, 이러한 비정질 금속으로 이루어진 원료 소재를 사용하여 3차원 구조물을 제작하면 기존 금속 기반 3차원 프린팅 방법에 비해 월등한 고강도를 갖는 제품을 제작할 수 있다.
그리고 비정질 금속을 3차원 프린팅의 원료 소재로써 사용하기 위해서는 프린터 노즐을 통해 유량의 제어가 가능하도록 하는 직경 10 nm 에서 100 μm 범위의 분말 또는 와이어 형태를 갖는 것이 바람직하며, 원료 소재의 크기가 작아질수록 제조되는 3차원 구조물 제품의 정밀도(해상도)를 높일 수 있다. 또한 원료 소재의 직경이 1㎛ 이하의 나노 수준으로 작아질 경우 크기 효과(size effect)에 의해 상대적으로 낮은 온도에서 점성유동이 일어나기 때문에 공정에 유리하다.
상술한 바와 같이 구성된 3차원 프린팅용 비정질 합금 원료 소재는 열원을 통해 과냉각 액체영역 내의 온도에서 적층 공정이 수행될 수 있으며, 이로부터 금속 원료 소재를 융점 이상으로 반드시 가열해야 하는 기존 금속 기반 3차원 프린팅 기술에 비해 저출력의 열원으로 저온 적층 및 급속 경화가 가능하고, 결국 3차원 프린터에 장착되는 열에너지원의 가격 및 공정제어 비용이 감소하여 금속 재질의 3차원 프린팅 비용이 감소하는 효과가 있다.
또한, 상대적으로 낮은 온도의 열에너지를 사용하고 비정질 고체 상태와 과냉각 액체상태 간의 천이 과정에서 부피 변화가 용융점에서 결정상의 응고시와 달리 연속적이기 때문에, 금속 재료의 열팽창과 수축에 의한 문제 및 고온 산화에 의한 문제가 저감되는 뛰어난 효과가 있다.
나아가 나노 사이즈의 분말 상태인 비정질 합금을 사용하는 경우에 유리천이온도에 대한 크기 효과에 의해서 상대적으로 낮은 온도에서 3차원 구조체를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 항복 강도가 0.5~5 GPa 범위이고 항복 한계 변형률이 1.0% 이상인 우수한 기계적 특성을 갖는 비정질 합금재료를 이용함으로써 고강도의 3차원 구조체를 제작하는 것이 가능하다.
도 1은 비정질 합금재료의 특성온도 구간에서 나타나는 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 Zr47Cu46Al7조성의 비정질 금속을 가열하였을 때의 점성 변화를 열기계분석기(Thermomechanical analysis, TMA)로 측정한 결과이다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 구조체 제조방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 가스 아토마이징 법으로 제조된 Cu54Ni6Zr22Ti18 조성의 비정질 마이크로 분말에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 이상분리 비정질 합금 프리커서의 선택적 용해법을 이용하여 비정질 나노 분말을 제조하는 방법을 나타내는 모식도이다.
도 6은 Ti28Y28Al24Co20조성의 이상분리 비정질 합금 프리커서에 선택적 용해법을 적용하여 제조한 Ti계 비정질 나노 분말의 SEM 사진이다.
도 7은 Ti28Y28Al24Co20조성의 프리커서로부터 제조된 비정질 금속 나노 입자를 일정한 하중(load) 하에서 가열할 때 입자의 변형 정도를 TMA로 측정한 결과이다.
도 8과 도 9는 Ti28Y28Al24Co20조성의 비정질 금속 나노 입자를 본 발명의 온도 구간인 690 K까지 가열하여 가열 전후의 형태 변화를 SEM을 이용하여 관찰한 결과이다.
도 2는 Zr47Cu46Al7조성의 비정질 금속을 가열하였을 때의 점성 변화를 열기계분석기(Thermomechanical analysis, TMA)로 측정한 결과이다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 구조체 제조방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 가스 아토마이징 법으로 제조된 Cu54Ni6Zr22Ti18 조성의 비정질 마이크로 분말에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 이상분리 비정질 합금 프리커서의 선택적 용해법을 이용하여 비정질 나노 분말을 제조하는 방법을 나타내는 모식도이다.
도 6은 Ti28Y28Al24Co20조성의 이상분리 비정질 합금 프리커서에 선택적 용해법을 적용하여 제조한 Ti계 비정질 나노 분말의 SEM 사진이다.
도 7은 Ti28Y28Al24Co20조성의 프리커서로부터 제조된 비정질 금속 나노 입자를 일정한 하중(load) 하에서 가열할 때 입자의 변형 정도를 TMA로 측정한 결과이다.
도 8과 도 9는 Ti28Y28Al24Co20조성의 비정질 금속 나노 입자를 본 발명의 온도 구간인 690 K까지 가열하여 가열 전후의 형태 변화를 SEM을 이용하여 관찰한 결과이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 금속재질의 재료물질로 3차원 프린팅을 수행하여 고강도 3차원 구조체를 제조하기 위하여, 비정질 합금을 재료물질로서 사용한 것이며, 특히 비정질 합금만이 가진 고유한 특징인 과냉각 액체영역에 해당하는 온도범위의 열원을 사용함으로써 결정질 합금 재질을 사용하는 경우보다 장비 제작비용이 낮아지고 공정제어가 용이하며, 금속 재료의 열팽창과 수축에 의한 문제 및 고온 산화에 의한 문제가 저감되어 프린팅된 제품의 특성이 뛰어나다.
도 1은 본 발명의 비정질 합금재료의 특성온도 구간에서 나타나는 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도시된 것과 같이 비정질 합금재료는 융점(Tm)이상의 온도에서 결정화영역을 거치지 않도록 유리천이온도(Tg) 아래로 급랭하여 제조되며, 비정질 합금재료의 유리천이온도(Tg)와 결정화온도(Tx)의 사이에서 비정질 고체상이 과냉각 액체상태로의 전이가 일어나는 온도 범위를 과냉각 액체영역이라고 한다.
이러한 과냉각 액체영역은 동적 특성화 온도로 가열 조건에 따라 달라지지만, 일반적으로 유리천이온도(Tg)가 절대온도 기준으로 융점(Tm)의 0.4~0.7배 수준에 존재하여 융점보다 매우 낮은 온도 범위에서도 비정질 합금재료가 점성 유동 특성을 나타낸다. 일반적으로 비정질 합금의 경우 Tg (유리천이온도)를 거치면서 점성유동이 시작되나 연속가열시 뉴토니안 점성유동을 통해 이상적인 공정이 가능한 유동성을 확보하여 3차원 구조체를 만들기 위해서는 최소 온도인 Tg (유리천이온도) 보다 0.1*ΔTx (과냉각 액체영역 온도범위) 이상 높은 온도 내지 점성의 급격한 감소가 일어나는 Tx (결정화 개시 온도) 이하로 하는 것 또는 등온 가열시 과냉각 액체영역 내에서 열원의 지속시간이 점성의 급격한 감소가 일어나는 결정화 개시 시간(tx) 이내로 하는 것이 바람직하다. 이러한 비정질 합금의 과냉각 액체상태 구현은 일반적으로 고체 상태의 비정질 합금을 가열하여 확보하는 것이 용이하나, 비정질 합금의 액체 상태에서 냉각을 통해서도 확보하는 것도 가능하다.
도 2는 Zr47Cu46Al7조성의 비정질 금속을 가열하였을 때의 점성 변화를 열기계분석기(Thermomechanical analysis, TMA)로 측정한 결과이다. 앞서 설명한 바와 같이, 도 2는 비정질 금속이 과냉각 액체영역으로 가열되었을 때 점성이 급격하게 감소하는 것을 보여준다. 이러한 특성에 의해서, 과냉각 액체영역에서 점성 유동하는 비정질 합금은 액체와 같이 자유롭게 변형하는 것이 가능할 뿐만 아니라 과냉각 액체상태의 비정질 금속간 결합을 통해 우수한 접합성을 가진다. 또한, 과냉각 액체상태의 금속을 냉각하면 가역반응을 통해 다시 고강도의 비정질 고체상으로 응고되기 때문에, 비정질 합금재료를 적층하여 3차원 프린팅을 수행할 수 있다. 이 때 3차원 구조체를 용이하게 적층하기 위하여 열원이 가해진 비정질 합금의 점성이 10-3 Pa·s 내지 1010 Pa·s의 범주인 것이 좋다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 구조체 제조방법을 나타내는 도면이다.
도시된 시간-온도-변태 도표(Time-Temperature-Transformation diagram, TTT diagram)와 같이, 상온의 고체 상태인 비정질 금속을 과냉각 액체영역 내 본 발명의 가열 조건으로 가열(①)한 뒤에, 과냉각 액체상태에서 가공 또는 접합을 통해 3차원 구조체를 제작(②)하고, 다시 유리천이온도(Tg)이하의 온도로 냉각(③)하면 가역반응을 통해 고강도 비정질 3차원 구조체를 얻을 수 있다.
결국 본 실시예에 따라 비정질 합금 재료를 이용하여 3차원 구조체를 제조하는 경우에는 종래에 결정질 합금을 적층하기 위하여 합금재료의 융점까지 열을 가해야 했던 것에 비하여 상대적으로 매우 낮은 열에너지만으로 3차원 프린팅을 수행할 수 있는 장점이 있다. 따라서 현재 금속재료를 3차원 프린팅하기 위한 모든 방식의 장비(예를 들면, 선택적 레이저 소결법(selective laser sintering) 장비, 용융 증착 모델링법(fused deposition modeling) 장비 등)를 그대로 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 종래에 비하여 낮은 열에너지를 발산하는 열원을 사용하고 공정제어가 용이하여 상대적으로 적은 제작비용으로 3차원 프린터를 구성할 수도 있다.
이와 같이, 낮은 온도에서 3차원 프린팅을 수행하는 경우, 금속재료를 고온에서 처리하는 경우에 발생하는 산화 문제를 저감할 수 있다. 또한 결정성 금속재료는 고온의 용탕으로 가열된 후 냉각되어 결정화 될 때 용융점에서 불연속적이고 급격한 부피변화에 의한 수축을 수반하기 때문에, 3차원 프린팅의 공정온도가 높아질수록 열팽창과 수축에 의한 결함발생 및 정밀도 등에 문제가 많이 발생한다. 하지만 본 발명에 의하면 상대적으로 낮은 온도의 열에너지를 사용하고 비정질 고체 상태와 과냉각 액체상태 간의 천이 과정에서 연속적인 부피변화가 발생하기 때문에, 금속 재료의 열팽창과 수축에 의한 문제 및 고온 산화에 의한 문제가 크게 감소한다.
또한, 비정질 합금은 결정질 금속이 가지고 있는 결정립계 등의 결함영역이 없기 때문에 재료가 가지고 있는 이론 강도에 상대적으로 가까운 고강도 값 (0.5 GPa~5 GPa)을 갖는다. 또한, 기존 결정질 SUS 금속 기판의 0.5 % 이하의 항복 변형률(yield strain) 보다 월등히 우수한 1.0 % 이상의 항복변형율 값을 가져 우수한 기계적 특성을 나타내며, 이러한 비정질 금속으로 이루어진 원료 소재를 사용하여 3차원 구조물을 제작하면 기존 금속 기반 3차원 프린팅 방법에 비해 월등한 고강도를 갖는 제품을 제작할 수 있다.
본 발명의 3차원 구조체 제조방법은 비정질 합금의 과냉각 액체영역에서의 유동 특성을 이용하는 것이기 때문에, 비정질 합금의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 다만, 과냉각 액체영역이 너무 좁은 경우에는 열원의 온도 조절이 어렵기 때문에, 과냉각 액체영역의 범위(즉, 결정화 개시온도(Tx)와 유리천이온도(Tg)의 차이)가 적어도 10 K 이상인 비정질 합금인 것이 바람직하다.
표 1은 10 K 이상의 넓은 과냉각 액체영역을 갖는 대표적인 비정질 금속의 예들을 나타낸 것이다.
| 합금 조성 | 유리천이온도 Tg (K) |
결정화개시 온도 Tx (K) |
과냉각 액체영역 ΔT = Tx-Tg (K) | 융점 Tl (K) |
| Mg65Ni20Nd15 | 459.3 | 501.4 | 42.1 | 804.9 |
| Mg65Cu25Y10 | 426 | 494 | 68 | 754 |
| Mg65Cu20Ag5Gd10 | 427 | 465 | 38 | 695 |
| Mg65Cu7.5Ni7.5Zn5Ag5Y5Gd5 | 434 | 472 | 38 | 718 |
| Ca63Al32Cu5 | 512 | 523 | 11 | 831 |
| Ca60Mg25Ni15 | 431 | 453 | 22 | 683 |
| Ca65Mg10Zn25 | 378 | 414 | 36 | 686 |
| Al40La35Y10Ni15 | 586 | 627 | 41 | 1092 |
| Ti50Ni24Cu20B1Si2Sn3 | 726 | 800 | 74 | 1310 |
| Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 | 689 | 752 | 63 | 1112 |
| Ti32.8Zr30.2Ni5.28Be22.66Cu9 | 611 | 655 | 44 | 961 |
| Zr66Al8Ni26 | 672 | 707.6 | 35.6 | 1251 |
| Zr65Al7.5Cu17.5Ni10 | 656.5 | 735.6 | 79.1 | 1168 |
| Zr41.2Be22.5Cu12.5Ni10Ti13.8 | 623 | 672 | 49 | 996 |
| Zr55Al20Co25 | 753 | 818 | 65 | 1293 |
| Zr57Cu15.4Ni12.6Al10Nb5 | 682 | 742 | 60 | 1115 |
| Zr50Cu40Al10 | 706 | 792 | 86 | 1092 |
| Zr55Cu30Al10Ni5 | 683 | 767 | 84 | 1163 |
| Zr46Cu30.14Al8Ag8.36Be7.5 | 705 | 811 | 106 | 1103 |
| Hf50Cu30Ni10Al10 | 780 | 860 | 80 | 1277 |
| Fe61Co5Zr8Y2Cr2Mo7B15 | 907 | 977 | 70 | 1501 |
| Fe48Cr15Mo14C15B6Y2 | 839 | 886 | 47 | 1464 |
| Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2 | 838 | 875 | 37 | 1436 |
| Fe76Si9.6B8.4P6 | 783 | 831 | 48 | 1340 |
| Fe72Y6B22 | 898 | 944 | 46 | 1419 |
| Fe70Mo2Y6B22 | 907 | 969 | 62 | 1508 |
| Co40Fe22Nb6Zr2B30 | 903 | 1000 | 97 | 1585 |
| Co43Fe20Ta5.5B31.5 | 910 | 982 | 72 | 1492 |
| Co48Cr15Mo14C15B6Er2 | 848 | 933 | 85 | 1394 |
| Ni60Nb30Ta10 | 934 | 947 | 13 | 1559 |
| Ni60Nb20Ti12.5Hf7.5 | 848 | 908 | 60 | 1392 |
| Ni59Zr20Ti16Si2Sn3 | 821 | 877 | 56 | 1272 |
| Ni60Pd20P17B3 | 605 | 683 | 78 | 1073 |
| Cu46Zr54 | 696 | 746 | 50 | 1201 |
| Cu60Zr30Ti10 | 713 | 763 | 50 | 1151 |
| Cu47Ti34Zr11Ni8 | 671 | 717 | 46 | 1160 |
| Cu47Ti33Zr11Ni6Sn2Si1 | 720 | 765 | 45 | 1140 |
| Cu49Hf42Al9 | 778 | 863 | 85 | 1249 |
| Cu46Zr47Al7 | 705 | 781 | 76 | 1163 |
| Cu46Zr42Al7Y5 | 672 | 772 | 100 | 1113 |
| Cu47Zr43Al7Ag3 | 716 | 795 | 79 | 1156 |
| Cu43Zr43Al7Be7 | 710 | 813 | 103 | 1126 |
또한, 본 발명의 3차원 구조체 제조방법에 사용되는 원료물질인 비정질 합금은 직경 10 nm 에서 100 μm 범위의 분말 형상 또는 와이어 형상으로 제작되며, 종래에 결정질 금속 재료를 사용한 3차원 프린팅 방법을 모두 적용할 수 있다. 구체적으로 EBF3 방식은 와이어 형상의 원료물질을 사용하고, DMLS 방식과 EBM 방식 및 SLS 방식은 분말 형상의 원료물질을 사용하며, LMD 방식은 구체적인 구조에 따라서 와이어 형상의 원료물질을 사용하는 경우와 분말 형상의 원료물질을 사용하는 경우가 있다. 본 발명의 3차원 프린팅에 사용되는 비정질 합금은 이러한 3차원 프린팅 방식에 맞춰 와이어 또는 분말 형상으로 제조된다.
이와 같이, 본 발명의 3차원 구조체 제조방법에 적용하기 위한 비정질 합금 재료를 제조하는 방법은 비정질 합금 분말 및 와이어를 제조하는 모든 방법들이 제한 없이 적용될 수 있으며, 직경 1 μm 이상의 마이크로 스케일의 원료 소재의 경우 예를 들어 가스 아토마이징(gas atomizing), 멜트 스피닝(melt-spinning) 등의 방법을 적용할 수 있다. 도 4의 주사전자현미경(SEM) 사진은 Cu54Ni6Zr22Ti18 조성의 합금에 대하여 가스 아토마이징 법을 이용하여 제조된 비정질 마이크로 분말을 보여주고 있으며, 약 10 ~ 100 μm 직경 분포를 갖는 구형 분말이 가스 아토마이징을 통하여 제조되었다.
한편, 비정질 합금재료를 분말 형상으로 제조하는 경우에 분말의 입도를 나노 사이즈로 작게 만들면, 분말의 미세화에 의한 크기 효과의 영향으로 유리천이온도(Tg)가 낮아지기 때문에, 동일한 조성의 비정질 합금을 사용하여도 분말의 크기가 큰 경우보다 낮은 온도에서 3차원 구조체를 제조할 수 있는 장점이 있다.
직경 1 μm 이하의 나노 스케일의 비정질 합금 원료 소재의 경우 프리커서(precursor) 합금의 선택적 용해법(dealloying, selective dissolution) 또는 기계적 분말 야금법(mechanical alloying), 화학 야금법(chemical alloying) 등의 공정을 이용하여 제조 가능하다. 도 5는 이상분리 비정질 합금 프리커서의 선택적 용해법을 이용하여 비정질 나노 분말을 제조하는 방법을 도식적으로 나타낸 것이다. 구형의 비정질 상이 기지 내에 포함된 형태의 합금 리본을 멜트 스피닝을 통하여 제조한 뒤, 특정 에칭액을 이용하여 리본 합금에서 기지만을 선택적으로 용해하게 되면 나노 크기의 구형 비정질 상을 비정질 나노 분말의 형태로 얻을 수 있다. 도 6은 Ti28Y28Al24Co20조성의 이상분리 비정질 합금 프리커서에 선택적 용해법을 적용하여 제조한 Ti계 비정질 나노 분말의 SEM 사진이며, 약 20~200 nm 범위의 직경 분포를 갖는 구형의 비정질 입자들이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 7은 상기 Ti계 비정질 금속 나노 입자를 일정한 하중(load) 하에서 가열할 때 입자의 변형 정도를 TMA로 측정한 결과로써, 518~690 K 범위에서 입자의 급격한 변형이 일어나는 것을 통하여, 이러한 온도 범위가 급격한 점성 변화가 나타나는 과냉각 액체영역임을 알 수 있다. 이 온도 범위는 일반적인 벌크 혹은 마이크로 수준의 Ti계 비정질 금속이 573 K 이상의 온도에서 과냉각 액체영역을 갖는 것에 비해 매우 낮은 온도 영역이며, 이로부터 비정질 금속 나노 분말은 크기 효과에 의해 특성화 온도를 동일 조성의 벌크 비정질 합금에 비해 낮추어 저온 성형 공정에 유리하게 할 수 있음을 알 수 있다.
비정질 합금 재료를 과냉각 액체영역까지 가열하였을 때 다량의 입자가 서로 접합성을 가짐으로써 3차원 구조체를 제조할 수 있는지 확인하기 위하여, 상기 Ti계 비정질 금속 나노 입자의 다량을 본 발명의 온도 범위인 690 K까지 가열하여 가열 전후의 형태 변화를 SEM을 이용하여 관찰하였으며 그 결과는 도 8 및 도 9와 같다. 가열 전에 완전한 구형의 형태를 갖고 있던 비정질 금속 나노 분말은 가열 후 구형의 형태가 점성유동을 통해 변화되며 입자들끼리 서로 뭉치게 되어 접합된 것을 SEM 사진을 통해 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 비정질 합금 재료를 원료 물질로 사용하는 경우에, 과냉각 액체영역까지만 가열하여도 입자들 간에 접합이 수행되는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 이상의 방법으로 비정질 합금을 사용하여 3차원 구조체를 제조하는 경우, 결정 결함이 제한되는 비정질 합금의 특성상 양호한 표면 거칠기를 가진 3차원 구조체가 제조되나, 필요한 경우 그 표면에 기계적 가공 또는 화학적 가공을 수행하여 표면 거칠기를 제어하는 공정을 추가적으로 수행할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (10)
- 재료물질을 순차적으로 적층하여 3차원 구조체를 제조하는 방법으로서,
상기 재료물질이 비정질 합금 재질이고,
상기 재료물질을 적층하기 위하여 가해지는 열원의 온도(T)가 Tg+(0.1*ΔTx)≤T≤Tx 범위(Tg는 유리천이온도, ΔTx는 과냉각 액체영역 온도범위, Tx는 결정화 개시온도)인 것을 특징으로 하는 고강도 3차원 구조체 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 재료물질을 적층하기 위하여 가해지는 등온의 열원이 가해지는 지속시간이 결정화 개시시간(tx) 이내인 것을 특징으로 하는 고강도 3차원 구조체 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 재료물질의 점성이 10-3 Pa·s 내지 1010 Pa·s의 범주인 것을 특징으로 하는 고강도 3차원 구조체 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
비정질 합금을 적층하여 3차원 구조체를 제조한 뒤에, 표면에 기계적 가공 또는 화학적 가공을 수행하여 표면 거칠기를 제어하는 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 고강도 3차원 구조체 제조방법.
- 청구항 1의 3차원 구조체 제조방법에서 사용되는 합금재료로서, 비정질 상태의 합금 재료인 것을 특징으로 하는 고강도 3차원 구조체 제조용 합금재료.
- 청구항 5에 있어서,
상기 비정질 합금이 대량 가능한 비정질 합금 시스템인 IIA 족 Mg 계와 Ca 계, IIIA 족 Al 계, 그리고 전이 금속인 Ti 계, Zr 계, Hf 계, Fe계, Co계, Ni 계 그리고 Cu계 비정질 합금 중에서 선택된 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 고강도 3차원 구조체 제조용 합금재료.
- 청구항 5에 있어서,
상기 비정질 합금의 유리천이온도(Tg)가 절대온도 기준으로 융점(Tm)의 0.4~0.7 배 범위에 존재하는 것을 특징으로 하는 고강도 3차원 구조체 제조용 합금재료.
- 청구항 5에 있어서,
상기 비정질 합금의 유리천이온도(Tg)와 결정화 개시온도(Tx)의 차이가 10 K 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 3차원 구조체 제조용 합금재료.
- 청구항 5에 있어서,
상기 비정질 합금의 항복 강도가 0.5~5 GPa 범위이고 항복 한계 변형률이 1.0 % 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 3차원 구조체 제조용 합금재료.
- 청구항 5에 있어서,
상기 비정질 합금이 단면 직경 기준 10 nm에서 100 μm 범위의 분말 또는 와이어 상태인 것을 특징으로 하는 고강도 3차원 구조체 제조용 합금재료.
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| KR1020150019389A KR20160097565A (ko) | 2015-02-09 | 2015-02-09 | 적층가공을 통한 고강도 3차원 구조체 제조방법 및 이를 위한 합금재료 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110480009A (zh) * | 2019-09-10 | 2019-11-22 | 淮浙煤电有限责任公司凤台发电分公司 | 一种钢梯度材料的取样管结构及其制作方法 |
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2015
- 2015-02-09 KR KR1020150019389A patent/KR20160097565A/ko not_active Application Discontinuation
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| KR20120128171A (ko) | 2011-05-09 | 2012-11-27 | 김한식 | 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110480009A (zh) * | 2019-09-10 | 2019-11-22 | 淮浙煤电有限责任公司凤台发电分公司 | 一种钢梯度材料的取样管结构及其制作方法 |
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