KR20160112063A

KR20160112063A - 금속 조각을 이용하는 3차원 프린터

Info

Publication number: KR20160112063A
Application number: KR1020150036763A
Authority: KR
Inventors: 오상준; 김성환
Original assignee: 주식회사 에이엠티코리아
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2016-09-28
Also published as: KR101701477B1

Abstract

금속 조각을 이용하는 3차원 프린터가 개시된다. 3차원 프린터는 용해조와, 용해조에서 용해된 금속용해물을 배출하는 노즐과, 금속용해물이 노즐로 배출되는 것을 제어하는 게이트, 용해조를 적어도 한 번 이상 감싸는 제1 코일, 노즐을 적어도 한 번 이상 감싸는 제2 코일, 제1 코일 및 제2 코일에 고주파 전원을 공급하는 전원공급부, 노즐로부터 출력되는 금속용해물의 3차원 출력위치를 제어하는 제어부로 구성된다.

Description

금속 조각을 이용하는 3차원 프린터{3D printer using metal scrap}

본 발명은 3차원 프린터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 분말이 아닌 금속 조각을 원료로 하는 3차원 프린터에 관한 것이다.

3차원 프린팅은 재료를 자르거나 깎는 방법으로 입체물을 생성하는 절삭가공(subtractive manufacturing)과 반대되는 개념으로서 적층(additive) 방법을 통해 3차원 입체물을 제조하는 적층 가공(additive manufactruing) 방법이다. 3차원 프린팅을 위한 다양한 적층 방식이 존재하며, 3차원 프린팅에 활용하는 재료 또한, 폴리머, 금속, 종이, 목재, 식재료 등 매우 다양하다.

그러나 금속을 재료로 하는 3차원 프린팅의 경우, 금속 분말을 레이저 빔으로 용해하여 적층하는 구조로서 장비의 가격이 고가일 뿐만 아니라 금속 분말이 반드시 미분형태로 공급되어야 하고 그 종류도 다양하지 않아 많은 불편함이 따른다.

공개특허공보 제10-2012-0128171호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 일반적으로 용이하게 구할 수 있는 금속 조각을 이용하는 3차원 프린팅 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 금속 조각을 이용하는 3차원 프린터의 일 예는, 용해조; 상기 용해조에서 용해된 금속용해물을 배출하는 노즐; 상기 금속용해물이 상기 노즐로 배출되는 것을 제어하는 게이트; 상기 용해조를 적어도 한 번 이상 감싸는 제1 코일; 상기 노즐을 적어도 한 번 이상 감싸는 제2 코일; 상기 제1 코일 및 제2 코일에 고주파 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 노즐로부터 출력되는 금속용해물의 3차원 출력위치를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 용해조에 삽입된 금속 조각은 상기 제1 코일에 의해 유도된 자기장에 의해 발생하는 열로 용융되어 상기 금속용해물이 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 금속 분말이 아닌 일반적으로 저비용으로 용이하게 구입할 수 있는 금속 조각을 이용하여 3차원 프린팅을 할 수 있다. 또한 금속의 용융을 위하여 고가의 정밀 레이저 용해 장비를 이용할 필요없이 코일로 유도된 자기장을 이용하여 금속 조각을 용해할 수 있다. 또한 멀티 헤드 장착을 통해 고속, 대량의 3차원 입체 제작이 가능하다. 또한 용해조와 노즐 등을 지르코니아(ZrO₂)를 이용하여 제작함으로써 금속 조각의 용융을 위한 높은 온도에 견딜 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 조각을 이용하는 3차원 프린터의 일 예의 구성을 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 금속 조각을 이용한 3차원 프린팅 방법의 일 예를 도시한 도면이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 금속 조각을 이용하는 3차원 프린터에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 조각을 이용하는 3차원 프린터의 일 예의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 3차원 프린터는 용해조(100), 노즐(110), 제1코일(120), 제2코일(130), 게이트(140), 3차원 테이블(150), 히터(155), 제어부(160), 전원공급부(170), 챔버(180), 밸브(185), 원료공급호파(105) 등의 구성을 포함한다. 3차원 프린터는 이 외에도 실시 예에 다양한 구성이 부가될 수 있으나 본 실시 예는 본 발명의 특징을 나타낼 수 있는 구성 위주로 설명한다.

원료공급호파(105)는 용해조(100)로 일정 양의 금속조각을 공급한다. 예를 들어, 원료공급호파(105)는 금속조각이 담긴 원료통(미도시)과 연결되어 있고, 용해조(100)의 금속용해물(190) 양이 기 설정된 기준 이하가 되면 원료통(미도시)의 금속조각을 기 설정된 양만큼 용해조(105)로 자동 공급한다. 여기서 금속조각은 일정 크기를 가진 금속 조각으로서 금속 펠렛(metal pellet) 또는 금속 스크랩(metal scrap)이라고도 한다. 예를 들어, 금속 조각은 종래의 금속 분말보다는 그 크기가 크며, 수 mm~Cm의 크기일 수 있다.

제1 코일(120)은 용해조(100)의 둘레를 적어도 한 번 이상 감싼다. 제1 코일의 턴수는 용해조(100)의 크기, 금속 조각의 용해 온도 등에 따라 결정된다. 제1 코일(120)에 가해진 고주파 전력에 의해 용해조(100) 내 금속조각이 유도 용해(induction melting)된다. 일반적인 금속의 용해온도는 대략 1500℃이며 특히 티타늄(Ti)의 용해온도는 대략 1780℃이므로, 제1 코일(120)에는 이보다 높은 열을 발생시킬 수 있는 고주파 전력이 공급된다.

제1 코일(120)에 의해 유도 발생하는 높은 열로 인해 용해조(100) 자체의 온도 또한 매우 높아진다. 따라서 용해조(100)는 최소한 금속의 용융온도보다 높은 온도를 견딜 수 있어야 할 뿐만 아니라, 승온과 강온이 계속 반복되는 열충격 상황에서도 견딜 수 있어야 한다.

따라서 본 실시 예의 경우, 용해조(100)는 지르코니아(ZrO₂)를 이용하여 구현된다. 보다 구체적으로 이트리아(Y₂O₃)가 첨가된 지르코니아를 원료로 만들어진 용해조(100)는 2700℃도 까지 견딜 수 있으므로, 비교적 높은 온도에서 용해되는 티타늄 등을 포함한 여러 금속 조각을 3차원 프린팅의 재료로 사용할 수 있다. 지르코니아에 첨가되는 이트리아의 양은 실시 예에 따라 다양할 수 있으나, 3~8mol% 정도인 것이 바람직하다.

노즐(110)은 용해조(100)의 일측면에 연결되어 용해조(100)에서 용해된 금속용해물(190)을 3차원 테이블(150)로 배출한다. 용해조(100)의 금속용해물(190)이 노즐(110)을 관통하면서 냉각될 수 있으므로 노즐(110)을 관통하는 금속용해물에 일정한 열을 가하는 것이 바람직하다.

이를 위하여, 노즐(110)의 둘레를 적어도 한 번 이상 감싸는 제2 코일(130)을 포함한다. 제2 코일(130)에 고주파 전력을 가하여 생성되는 유도 열을 이용하여 노즐을 지나는 금속용해물이 냉각되지 않도록 에너지를 공급할 수 있다.

금속용해물(190)의 온도는 고온이므로 노즐(110) 또한 용해조(100)와 마찬가지로 높은 열에 견딜 수 있어야 한다. 따라서 노즐(110) 또한 용해조(100)와 같은 재질로 구현하는 것이 바람직하다.

게이트(140)는 용해조(100)의 금속용해물(190)이 노즐(110)로 배출되는 양을 제어한다. 구체적으로, 게이트(140)는 용해조(100)와 노즐(110)의 연결 부분에 위치하고 상하 움직임을 통해 노즐(110)로 배출되는 금속용해물의 양을 정밀하게 제어한다. 예를 들어, 게이트(140)가 위로 움직이는 경우 용해조와 노즐 사이의 통로가 개방되어 금속용해물(190)이 중력에 의해 노즐(110)로 배출되고, 게이트(140)가 아래로 움직이는 경우 용해조(100)와 노즐(110) 사이의 통로가 좁아져 배출되는 양을 줄일 수 있으며, 게이트(140)가 완전히 아래로 내려온 경우에는 결국 통로가 막혀 금속용해물(190)이 노즐(110)로 배출되는 것을 막는다. 게이트(140)는 금속용해물(190) 내에 위치하므로 고온에 견딜 수 있어야 한다. 따라서 게이트(140) 또한 용해조(110)와 동일 재질로 구현되는 것이 바람직하다.

3차원 테이블(150)은 상하, 좌우 등의 3차원 공간에서 이동하며, 표면에 금속용해물(195)이 적층된다. 3차원 테이블(150)은 아래에 위치한 축을 이용하여 상하 제어되고, 테이블 자체가 2차원 평면에서 제어된다.

3차원 테이블(150)의 하부에는 히터(155)가 존재한다. 히터(155)는 적층되는 금속용해물(195)이 3차원 테이블(150) 위에 배출되어 급격히 냉각되는 것을 방지하여 금속용해물(195)이 잠열에 의해 박리되지 아니하고 잘 적층될 수 있도록 한다. 예를 들어, 히터(155)는 대략 500~600℃의 온도로 가열될 수 있다.

제어부(160)는 게이트(140) 및 3차원 제어부(155) 등을 제어한다. 예를 들어, 3차원 입체물에 대한 도면 정보에 따라 제어부(160)는 게이트(140)의 상하 제어를 통해 금속용해물(190)의 배출여부를 제어하고, 3차원 테이블(150)을 제어하여 금속용해물(195)이 적층되는 위치를 제어한다. 제어부(160)에 의한 3차원 테이블(150)의 위치 제어 등은 종래의 다양한 3차원 프린터에 구현되어 있는 방법을 이용할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

전원공급부(170)는 제1코일(120), 제2코일(130), 히터(155) 등에 전력을 공급한다. 전원공급부(170)는 용해조(100)에 투입된 금속조각의 용해온도가 되도록 제1코일(120)과 제2코일(130)에 공급되는 고주파 전력을 제어한다. 제1코일(120)은 용해조(100) 내의 금속조각을 용해해야 하지만, 제2코일(130)은 노즐(110)을 통과하는 금속용해물에 일정한 온도를 공급하면 되므로, 제2코일(130)에 공급되는 고주파 전력은 제1 코일(120)에 공급되는 고주파 전력과 동일하거나 이보다 낮을 수 있다.

금속용해물(195)이 배출되어 적층될 때 산소와 결합하여 산화가 될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 3차원 입체물의 적층은 챔버(180) 내에서 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 노즐(110)과 3차원 테이블(150)을 포함하는 공간은 챔버(180) 내에 위치하며, 챔버(180)의 내부는 밸브(185)를 통해 공기를 빼내어 진공 상태가 되거나 불활성 가스가 주입된 상태가 되어, 적층되는 금속용해물(195)의 산화를 억제할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 금속 조각을 이용한 3차원 프린팅 방법의 일 예를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 3차원 프린터는 용해조에 일정 양의 금속 조각을 투입한다(S200). 3차원 프린터는 용해조의 둘레를 감싸는 제1 코일에 고주파 전력을 공급하여 용해조 내 금속 조각을 유도 용해한다(S210). 3차원 프린터는 노즐을 통해 배출되는 금속용해물이 냉각되지 않도록 일정 에너지를 공급하기 위하여 노즐의 둘레를 감싸는 제2 코일에 고주파 전력을 공급한다(S220). 그리고 3차원 프린터는 노즐을 통해 배출되는 금속용해물의 위치를 제어하면서 적층하여(S230) 3차원 입체물을 생성한다(S240). 또한 3차원 프린터는 적층되는 금속용해물이 잠열에 의해 서로 잘 적층될 수 있도록 3차원 테이블에 일정 열을 가할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 용해조 110 노즐
120 제1코일 130 제2코일
140 3차원테이블 147 히터
150 게이트 190 금속용해물

Claims

용해조;
상기 용해조에서 용해된 금속용해물을 배출하는 노즐;
상기 금속용해물이 상기 노즐로 배출되는 것을 제어하는 게이트;
상기 용해조를 적어도 한 번 이상 감싸는 제1 코일;
상기 노즐을 적어도 한 번 이상 감싸는 제2 코일;
상기 제1 코일 및 제2 코일에 고주파 전원을 공급하는 전원공급부;
상기 노즐로부터 출력되는 금속용해물의 3차원 출력위치를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 용해조에 삽입된 금속 조각은 상기 제1 코일에 의해 유도된 자기장에 의해 발생하는 열로 용융되어 상기 금속용해물이 되는 것을 특징으로 하는 금속 조각을 이용하는 3차원 프린터.
제 1항에 있어서,
상기 노즐 및 용해조의 내부는 이트리아가 첨가된 지르코니아로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 조각을 이용하는 3차원 프린터.
제 2항에 있어서,
상기 이트리아는 3~8 mol%가 첨가되는 것을 특징으로 하는 금속 조각을 이용하는 3차원 프린터.
제 1항에 있어서,
진공 또는 불활성가스가 주입된 챔버;를 포함하고,
상기 노즐은 상기 챔버 내에서 상기 금속용해물을 배출하는 것을 특징으로 하는 금속 조각을 이용하는 3차원 프린터.
제 1항에 있어서,
상기 제어부의 제어에 따라 3차원으로 움직이는 테이블; 및
상기 테이블의 하부에 위치한 히터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 조각을 이용하는 3차원 프린터.