KR20170069164A - 분체 제조 방법, 분체 제조 장치, 및 조형물의 제조 방법 - Google Patents

분체 제조 방법, 분체 제조 장치, 및 조형물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

분체의 제조 방법은, 원료분체의 층을 형성하는 공정과, 질소를 함유하는 분위기에서 상기 층의 원료분체를 질화하는 작업과 탄소를 함유하는 분위기에서 상기 층의 원료분체를 탄화하는 작업 중 하나를 행하는 공정을 포함한다.

Description

분체 제조 방법, 분체 제조 장치, 및 조형물의 제조 방법{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING POWDER AND METHOD FOR MANUFACTURING SHAPED OBJECT}
본 발명은, 원료 분체를 질화 또는 탄화해서 분체를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
분말베드 용융결합(powder bed fusion)에 의해 조형물을 제조하는 기술이 개발되고 있다. 분말베드 용융결합방식에서는, 원료분체로 형성된 박층의 일부를 에너지 빔으로 조사하여서 고형화하고, 이러한 층들을 적층하여 조형물을 형성한다. 일본 특허공개 2005-67998호 공보에는, 분말베드 용융결합에 의해 제조하는 조형물의 경도를 향상시키는 방법이 제안되어 있다. 이 방법에서는, 세라믹 분말을 분산되게 한 광경화성 수지를 삼차원 조형하여, 고온 분위기에서 소결시킨다. 그렇지만, 이 방법에서는, 프로세스에서 태워서 제거될 수지 바인더를 사용한다. 그러므로, 결과적인 조형물의 밀도가 85%정도까지 감소되고, 이에 따라 그 조형물은 원하는 경도를 가질 수 없다.
일본 특허공개 2011-506761호 공보에는, 그 경도를 향상시키기 위해서 금속분말을 질화처리하는 삼차원 조형물을 제조하는 기술이 제안되어 있다. 이 기술에서는, 감압실에 질소 가스를 공급하면서 전자 빔을 사용하여 분말베드 용융결합에 의해, 원료분체의 박층을 감압실에서 고형화한다.
일본 특허공개 2011-506761호 공보의 분말베드 용융결합에서는, 전자 빔으로 조사될 때에 상기 층을 잠깐 동안 질화처리를 행한다. 이에 따라, 결과적인 조형물에 있어서의 질소의 함유율을 충분히 향상시킬 수 없다. 따라서, 이 기술은, 질화 세라믹과 같은 높은 경도의 조형물을 제조할 수 없다.
따라서, 본 발명의 분체의 제조 방법은, 원료분체의 층을 형성하는 공정과, 질소를 함유하는 분위기에서 상기 층의 원료분체를 질화하는 작업 또는 탄소를 함유하는 분위기에서 상기 층의 원료분체를 탄화하는 작업 중 하나를 행하는 공정을 포함한다.
또한, 본 발명의 조형물의 제조 방법은, 원료분체의 층을 형성하는 공정과, 질소를 함유하는 분위기에서 상기 층의 원료분체를 질화하는 작업과 탄소를 함유하는 분위기에서 상기 층의 원료분체를 탄화하는 작업 중 한쪽을 행하는 공정과, 상기 작업 중 한쪽이 행해진 상기 층에 에너지 빔을 조사해서 고형화하는 공정을 포함한다.
또한, 분체 제조 장치를 제공한다. 이 분체 제조 장치는, 용기(chamber)와, 상기 용기내에 원료분체의 층을 형성 가능한 형성 디바이스와, 질소와 탄소 중 한쪽을 함유하는 물질을 상기 용기내에 공급 가능한 공급 디바이스와, 상기 층에 전압을 인가 가능한 전원 디바이스를 구비한다.
본 발명에 의하면, 질소 또는 탄소의 함유율을 높인 분체를 제조할 수 있고, 예를 들면 이 분체를 사용해서 분말베드 용융결합에 의해 조형한 조형물의 경도를 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징들은, 첨부도면을 참조하여 이하의 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도1은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 조형물 제조 장치의 설명도다.
도2는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 조형 용기의 설명도다.
도3은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 조형물의 제조 프로세스의 흐름도다.
도4a 내지 4f는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 조형물 제조 장치에 있어서의 적층의 설명도다.
도5는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 플라즈마 질화/플라즈마 탄화처리의 흐름도다.
도6은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 레이저 빔 가열형성 처리의 흐름도다.
도7은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 조형물 제조 장치의 설명도다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
제1 실시예
제1 실시예에서는, 원료분체의 박층을 플라즈마 질화하고, 질화된 분체의 박층을 레이저 빔으로 즉시 가열 용융하고 나서 고형화한다. 이러한 층들의 적층은, 조형물(301)을 정의한다.
조형물 제조 장치
도1은 제1 실시예에서 사용된 조형물 제조 장치의 설명도다. 도2는 조형 용기의 설명도다. 도1에 도시한 바와 같이, 조형물 제조 장치(100)는, 분말베드 용융결합 방식의 소위 3D프린터다. 용기(101)는, 스테인리스강으로 구성되고, 밀폐가능하다. 용기(101)에는, 진공계(208)가 접속되어 있다. 계측 디바이스의 일종인 진공계(208)는, 용기(101)안의 압력을 계측한다.
감압 디바이스의 일종인 배기기구(103)는, 용기(101)안을 감압가능하다. 배기기구(103)는, 주로 산소를 감소시키기 위해서, 용기(101)를 배기한다. 배기기구(103)는, 드라이 펌프와, 이 드라이 펌프에 직렬로 접속된 터보 분자 펌프를 구비하고, 용기(101)를 예를 들면 1×10-4Ｐａ의 진공까지 배기할 수 있다.
배기기구(103)는, 용기(101)와의 접속부에 개구 크기를 조정 가능한 개구조정밸브를 가진다. 제어부(200)는, 가스 공급 기구(102)로부터 용기(101)에 가스를 공급하면서 진공계(208)의 출력에 따라서 개구조정밸브를 제어함으로써, 용기(101)안을 원하는 분위기와 진공도로 제어할 수 있다.
공급기의 일종인 가스 공급 기구(102)는, 질소 및 수소를 함유하는 질소-수소 혼합 가스를 용기(101)안에 공급한다. 가스 공급 기구(102)는, 질소 가스와 수소 가스를 원하는 비율로 용기(101)안에 공급가능하다. 2개의 가스 공급 기구는, 질소 가스와 수소 가스를 따로따로 공급해도 좋다.
도2를 참조하면, 분체용기의 일종인 조형 용기(107)는, 조형실(109)을 구비하고, 그 조형실(109)내에 적층 기재(substrate)(112)가 수직으로 이동 가능하게 배치되어 있다. 하강 기구(111)는, 상기 분체 층들의 두께에 따른 임의의 피치로 적층 기재(112)를 단계적으로 하강시킬 수 있다. 조형실(109)에는, 층 104로부터 질화에 의해 각각 변환된 질화층들 104'가 적층을 구성한다.
조형실(109)의 벽에는, 히터의 일종인 저항 히터(137)가 매립되어 있어, 층 104를 가열할 수 있다. 또한, 적층 기재(112)는, 이 적층 기재의 상면에는, 온도 센서(209)가 설치된다. 제어부(200)는, 온도 센서(209)의 출력에 따라 저항 히터(137)에 통전하는 전류를 ＯＮ/ＯＦＦ제어함으로써, 층 104를 가열해서 일정 온도로 유지한다.
형성 디바이스의 일종인 층형성 기구(105)는, 용기(101)안에 배치된 조형 용기(107)에 원료분체의 층 104를 형성한다. 본 명세서에 있어서, 층형성 기구(105)에 의해 형성된 원료분체의 층의 두께가 5μｍ 내지 200μm만큼 얇으므로, 상기 층 104를 박층이라고 칭한다.
박층 형성 기구(105)는, 가이드(132)에 의해 안내되어서 조형 용기(107)의 상면을 따라 화살표R105 방향으로 이동하는 이동부(133)를 구비해서, 조형실(109)에 박층들 104를 형성한다. 원료분체(135)는, 원료실(130)에 저장되고, 상승 기구(114)를 작동시켜서 바닥판(134)을 상승시키는 것으로, 조형 용기(107)의 상면보다도 높은 위치에 올려진다. 박층 형성 기구(105)는, 금속 롤러(131)를 조형 용기(107)의 상면에 대하여 카운터 방향으로 회전시키면서 조형 용기(107)의 상면의 원료분체를 평평하게 만들어서, 조형실(109)의 상면에 일정 두께로 원료분체(135)의 아주 밀도가 높은 박층 104를 형성한다. 한층 더, 박층 형성 기구(105)는, 조형실(109)에 이전에 형성된 박층 104로부터 변환된 질화 박층 104' 위에, 원료분체의 다른 박층 104를 형성한다. 이렇게 하여 조형실(109)안에 형성된 질화 박층들 104' 및 박층 104의 적층은, 상기 용기(101)로부터 전기적으로 분리되어 있다.
조형 용기
도1에 도시한 바와 같이, 조형 용기(107)는, 용기(101)로부터 전기적으로 절연되어 있다. 조형 용기(107) 및 적층 기재(112)는, 그 표면에서의 플라즈마 발생을 피하기 위해서, 절연 재료로 구성된다. 따라서, 조형 용기(107)의 박층 104에 접촉하는 면은 절연 재료로 구성된다. 원료분체의 박층 104에, 전원(113)으로부터의 전압이 전극(108)(전원 디바이스)을 통해 인가된다. 전극(108)은, 그 표면에서의 플라즈마 발생을 피하기 위해서, 절연 재료로 구성된 커버(108a)로 덮여 있다.
제1 실시예에서는, 절연성의 조형 용기(107)와 전극(108)을 사용해서 원료분체의 박층 104에 교류 전압을 인가한다. 이러한 구성은, 박층 104의 플라즈마 질화에 관해서 효율적이다. 일반적으로, 원료분체는, 비록 금속일지라도 그 분체의 표면이 부동화 피막으로 덮이기 때문에 도전성에 부족하다. 이 때문에, 종래는, 원료분체에 근접해서 코일이나 평판 전극등의 부재를 플라즈마 발생을 위해 배치해야 한다고 믿었다. 그러나, 조형물 제조 장치(100)에서는, 레이저 빔을 조사하기 위한 광로를 확보해야 하기 때문에, 박층 104의 직상에 평판 전극등의 부재를 배치하는 것이 어렵다. 덧붙여, 수평방향으로 이동하는 박층 형성 기구(105)와의 간섭을 피하기 위해서, 박층 104의 직상에 평판 전극등의 부재를 설치하면, 박층 104를 형성할 때마다 상기 부재를 물리적으로 퇴피시켜야 한다. 1개의 조형물(301)의 조형에 있어서, 박층 형성은 수백회 내지 수천회 반복하므로, 상기 부재를 물리적으로 퇴피하는 것은 비효율적이다. 이에 따라, 제1 실시예에서는, 박층 104를 보유하는 조형 용기(107)를 용기(101)로부터 전기적으로 절연한 상태로, 박층 104에 접촉하는 전극(108)에 교류 전압을 인가하고 있다. 이러한 구성에 의해, 평판 전극등을 사용하지 않고, 박층 104의 표면 전체에 질소를 포함하는 플라즈마를 균일하게 발생할 수 있어, 원료분체를 균일하고 신속하게 질화시킬 수 있다.
플라즈마 질화처리
도1 및 도2에 도시한 바와 같이, 조형물 제조 장치(100)는, 조형 용기(107)에 형성된 원료분체의 박층 104에 교류 전압을 인가해서 박층 104의 인접공간에 플라즈마를 발생시킨다. 조형물 제조 장치(100)는, 최초의 층으로서 적층 기재(112) 위에 형성된 박층 104, 또는 2층째이후의 박층 104로서 질화 박층 104' 위에 형성된 박층 104를, 질소 이온을 포함하는 플라즈마중에 보유해서 질화처리한다.
전원 디바이스의 일종인 전원(113)은, 박층 104에 교류 전압을 인가한다. 전극(108)은, 조형 용기(107)안에서 박층 104 또는 질화 박층 104'에 접촉한다. 전원(113)은, 전극(108)을 통해서 원료분체의 박층 104에 교류 전압을 인가한다. 전원(113)은, 직류 전압을 중첩한 교류 전압을 출력한다. 직류 전압은, -500V∼+500V로 단계적으로 설정될 수 있다. 교류 전압은, 0∼2000V의 진폭, 및 10kHz∼500kHz의 주파수로 단계적으로 설정될 수 있다.
제어부(200)는, 용기(101)에 질소 가스를 공급하면서 진공도를 1Ｐａ이상 20ｋＰａ미만으로 유지한 상태로, 전원(113)을 작동시킨다. 이에 따라, 박층 104의 인접공간에 국소적으로 플라즈마가 발생하고, 박층 104의 원료분체가 효율적으로 플라즈마에 노출된다. 이때, 제어부(200)는, 도2에 도시한 바와 같이, 저항 히터(137)에 통전하고, 적층 기재(112) 위에 원료 분체의 박층 104를 가열한다. 이렇게 하여, 질화처리의 효율을 높이고 있다. 또한, 저항 히터(137) 대신에, 혹은 저항 히터(137)의 사용과 동시에, (후술하는) 레이저 빔의 출력을 약화시켜서 박층 104를 가열해도 좋다. 스폿 면적이 넓은 레이저 빔을 사용하여서 박층 104를 가열해도 좋다.
레이저 빔 가열형성 처리
도1에 도시한 바와 같이, 빔 조사기의 일종인 주사 가열기구(106)는, 박층 104로부터 변환된 질화 박층 104'에 에너지 빔의 일종인 레이저 빔으로 조사한다. 주사 가열기구(106)는, 광원(110)으로부터 방출된 레이저 빔의 스폿을 갖는 입력 데이터에 따라 고형화되는 질화 박층 104'의 일부를, 상기 레이저 빔을 갈바노 미러106m으로 주사하여서 가열한다. 광원(110)은, 출력 500W의 ＹＡＧ레이저 발진기다.
주사 가열기구(106)는, 조형 용기(107)의 조형실(109)의 상면의 질화 박층 104'을, 레이저 빔에 의해 가열하여서, 거의 순간적으로 질화 박층 104'을 용융하여, 하층의 고체조직과 일체하기 위해 고형화시킨다. 이에 따라, 조형실(109)의 상면의 질화 박층 104'의 원하는 부분은 용융해서 고형화한다. 이때, 레이저 빔 가열형성 처리동안에 상술한 플라즈마 질화처리를 계속시켜서, 즉, 저항 히터(137)에 통전하여서 질화 박층 104'의 온도를 높게 유지하는 것이 바람직하다. 질화 박층 104'의 온도를 높게 유지하여서, 레이저 빔 가열형성 처리의 효율이 높아진다. 따라서, 저출력 레이저 빔으로도 고속 형성이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 질화 박층 104'의 용융 상태의 변동을 감소할 수 있어, 결과적인 조형물(301)의 조직은 균일할 수 있다.
이 레이저 빔 가열형성 처리의 가열은, 질화 박층 104'의 질화분체의 또 다른 질화처리를 촉진한다. 이 때문에, 상술한 플라즈마 질화처리로 원료 분체를 완전히 질화처리하는 것은 필요하지 않다. 달리 말하면, 플라즈마 질화처리로 원료 분체를 대략 질화처리한 단계에서 행해진 레이저 빔 가열형성 처리에 의해, 최종적으로 분체를 용융함으로써 질화가 완료되어도 된다. 이렇게 하여, 질화처리의 시간을 단축할 수 있고, 이에 따라 조형물(301)의 제조 시간을 단축할 수 있다.
조형물의 제조 프로세스
도3은 조형물의 제조 프로세스의 흐름도이고, 도4a 내지 도4f는 조형물 제조 장치에 있어서의 적층을 만드는 설명도다. 도1에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, ＣＰＵ(205), ＲＡＭ(206), 및 ＲＯＭ(207)을 구비한다. ＲＯＭ(207)으로부터 호출한 프로세스의 제어 프로그램을 ＲＡＭ(206)에 기억함으로써, ＣＰＵ(205)는 프로세스 컨트롤러로서 기능한다. 유저는, 조작부(201)를 사용하여서 프로세스 시작을 지령한다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 프로세스 시작이 지령되면, 배기기구(103)를 작동시켜서 용기(101)를 배기한다(S11). 용기(101)안의 압력이 1×10-2Ｐａ에 도달하면, 가스 공급 기구(102)에 의한 가스공급을 시작해서 용기(101)를 대기압미만의 프로세스 압력으로 제어한다(S12). 도1에 도시한 바와 같이, 이 공정S11 및 S12에 의해 분위기를 생성하는 공정에서는, 용기(101)를 제1의 압력으로 감압한 후에, 용기(101)에 질소를 함유하는 물질을 공급한다. 이렇게 하여, 용기(101)에, 제1의 압력보다도 높은 대기압미만의 제2의 압력의 분위기를 생성한다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 용기(101)의 내부가 제2의 압력(예를 들면, 10ｋＰａ)에 도달하면, 박층 형성 기구(105)를 작동시켜서 원료분체의 박층 104를 형성한다(S13). 도4ａ에 도시된 하강 공정에서는, 하강 기구(111)를 작동시켜서 적층 기재(112)를 하강시킴으로써, 조형 용기(107)의 내측에 박층 104의 형성 공간을 형성한다. 도4ｂ에 도시한 바와 같이, 형성하는 공정 또는 공정S13에서는, 박층 형성 기구(105)를 작동시켜서, 적층 기재(112)에 원료분체의 박층 104를 형성한다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 전원(113)을 작동시켜서 플라즈마 발생을 시작해(S14), 박층 104의 플라즈마 질화처리ＰＮ을 설정 시간이 경과할 때까지 실행한다(S15의 NO 동안에). 도4ｃ에 도시한 바와 같이, 이 공정S14 및 S15로 이루어진 질화 공정에서는, 가스 공급 기구(102) 및 전원(113)을 작동시켜서, 적층 기재(112) 위에 원료 분체의 박층 104를 플라즈마 질화 한다. 질화 공정에서는, 질소, 수소 및 감소된 산소를 함유하는 분위기에서, 박층 104에 전원(113)에 의해 교류 전압을 인가해서 플라즈마를 발생시킴으로써, 박층 104의 원료분체를 질화 한다. 질화 공정은, 용기(101)안에 생성된 대기압미만(바람직하게는 1Ｐａ이상 20ｋＰａ미만)의 압력의 분위기에서 실행된다. 질화 공정은, 용기(101)내에 배치되고 용기(101)로부터 전기적으로 절연된 조형 용기(107)에 박층 104를 형성하는 공정에 후속한다. 또한, 그 질화 공정은, 저항 히터(137)로 가열해서 박층 104의 온도를 일정하게 유지한 상태로 실행된다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 박층 104의 플라즈마 질화처리ＰＮ이 종료하면(S15의 YES), 주사 가열기구(106) 및 광원(110)을 작동시켜서, 질화 박층 104'의 레이저 빔 가열형성 처리를 실행한다(S16). 도4ｄ에 도시한 바와 같이, 이 공정S16으로 구성되는 빔 형성 공정에서는, 주사 가열기구(106) 및 광원(110)을 작동시켜서, 적층 기재(112) 위에 질화 박층 104'을 용융하고, 고형화한다. 빔 형성 공정에서는, 질화 박층 104'의 고형화 부분에 에너지 빔을 조사해서 고형화한다. 이 빔 형성 공정은, 질소, 수소, 및 감소된 산소를 함유하는 분위기에서, 질화 박층 104'에 교류 전압을 인가해서 플라즈마를 발생시키면서 실행된다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 질화 박층 104'의 1층분의 레이저 빔 가열형성 처리가 종료한 후(S16), 전원(113)을 정지시켜서 질화 박층 104'에 있어서의 플라즈마 발생도 정지한다(S17). 제어부(200)는, 층의 수(적층 횟수)가 조형물(301)을 얻는데 필요한 수에 도달할 때까지(S18의 NO 동안), 박층 형성(S13), 플라즈마 질화처리(S14, S15), 레이저 빔 가열형성 처리(S16), 및 플라즈마 발생 정지(S17)를 반복한다. 도4ｅ에 도시한 바와 같이, 2회째 이후의 하강 공정에서는, 하강 기구(111)를 작동시켜서 적층 기재(112)를 하강시킴으로써, 부분적으로 고형화된 질화 박층 104' 위에 원료분체의 다른 박층 104를 형성하는 공간을 형성한다. 도4ｆ에 도시한 바와 같이, 2회째의 형성 공정에서는, 박층 형성 기구(105)를 작동시켜서 원료분체의 다른 박층 104를, 상기 형성 공정에서 조형 용기(107)의 적층 기재(112) 위에 형성된 박층 104로부터 상기 질화 공정에서 변환된 질화 박층 104' 위에, 형성한다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 층의 수 또는 적층 횟수가 조형물(301)을 얻는데 필요한 횟수에 도달하면(S18의 YES), 가스공급을 정지해(S19), 용기(101)안에 외기를 공급한다(S20). 그리고, 제어부는, 조형물의 제거를 허가한다. 이 허가는 표시부(202)에 표시되어 있다.
이상 설명한 바와 같이, 조형물 제조 장치(100)는, 상기 박층 형성, 플라즈마 질화처리, 및 레이저 빔 가열형성 처리를 반복하는 것에 의해, 질화 박층 104'의 적층에 의해 정의된 삼차원의 조형물(301)을 조형한다.
조형물의 재료
이상 설명한 조형물 제조 장치(100)에서 다른 재료와 다른 플라즈마 질화처리 조건을 사용하여 예 1∼3에서는 조형물(301)의 예들을 형성하였고, 그 예들의 물성과 그 밖의 특성을 시험했다.
예 1
예 1에서는, 이하의 조건으로, 스테인리스강 입자에 대해 플라즈마 질화처리 및 레이저 빔 소결처리를 행했다.
플라즈마 질화처리의 조건
용기안의 압력: 13.3ｋＰａ
공급 가스: 가스 혼합비 1:1의 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스
원료분체: 물 분사법에 의한 입경 7μm의 스테인리스강 입자(SＵS 613)
박층 104의 두께: 20μm
전압: 주파수 100kHz의 교류 전압 1kV
플라즈마 질화처리 시간: 3분
레이저 빔 가열형성 처리의 조건
용융 부분: 박층 104의 25mm × 25mm의 정방형 부분
층들의 수: 2000
조형물(301)의 높이: 40mm
예 1에 있어서 얻어진 조형물(301)의 질소 농도를 ＸＰS(X선 광전자 분광)를 사용해서 분석한 결과, 12%(원자수의 면에서)이었다. 또한, 아르키메데스법을 사용해서 계측한 조형물(301)의 밀도는, 99.9%이었다. 비커스 경도계를 사용해서 계측한 조형물(301)의 경도ＨＶ는, 2200이었다. 이에 따라, 보통 SＵS613의 경도ＨＶ가 200∼400인 상태에서, 예 1의 샘플은 대단히 높은 경도ＨＶ를 갖는 것이 확인되었다.
예 2
예 2에서는, 이하의 조건으로, 티타늄 입자에 대해 플라즈마 질화처리와 레이저 빔 가열형성 처리를 행했다.
플라즈마 질화처리의 조건
용기안의 압력: 13.3ｋＰａ
공급 가스: 가스 혼합비 1:1의 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스
원료 분체: 물 분사법에 의한 입경 20μm의 티타늄(Ｔｉ) 입자
박층 104의 두께: 40μm
전압: 주파수 100kHz의 교류 전압 20kV
플라즈마 질화처리 시간: 10분
레이저 빔 가열형성 처리의 조건
용융 부분: 박층 104의 25mm × 25mm의 정방형 부분
층들의 수: 100
적층의 높이: 4mm
예 2에서 사용된 원료분체의 입자경이 보다 크므로, 예 1에 비교해서 상기 층의 표면을 통한 플라즈마 질화처리에 시간이 더 걸릴 가능성이 높다. 이 때문에, 저항 히터(137)로 가열해서 플라즈마 질화처리 및 레이저 빔 가열형성 처리의 작업 전체에 걸쳐서 박층 104와, 상기 질화 박층 104'의 적층을, 500℃로 유지하였다. 박층 104와, 상기 질화 박층 104'의 적층을 고온으로 유지함으로써, 질소와의 반응 속도를 향상시킴에 따라, 플라즈마 질화처리 속도를 높일 수 있다. 또한, 예 2에서는, 레이저 빔 가열형성 처리 전체에 걸쳐 질화 박층 104'에 교류 전압을 인가해서, 플라즈마 발생을 계속했다. 이 작업에 의해, 박층 104뿐만 아니라 질화 박층 104'의 적층이 질소 이온으로 계속 도핑될 수 있다.
예 2에 있어서 얻어진 조형물(301)의 질소농도를 ＸＰS(X선 광전자 분광)를 사용해서 분석한 결과, 42%(원자수의 면에서)이었다. 아르키메데스법을 사용해서 계측한 삼차원 조형물(301)의 밀도는, 99.5%이었다. 비커스 경도계를 사용해서 계측한 조형물(301)의 경도ＨＶ는, 2700이었다. 이에 따라, 그 조형물(301)이, 통상의 분체소결에 의해 얻어진 세라믹 재료인 ＴｉＮ으로 형성된 조형물만큼 단단한 것이 확인되었다.
예 3
예 3에서는, 이하의 조건으로, 텅스텐 카바이드 분체와 코발트 분체의 혼합체에 대해 플라즈마 질화처리 및 레이저 빔 가열형성 처리를 행했다.
플라즈마 질화처리의 조건
용기(101)안의 압력: 13.3ｋＰａ
공급 가스: 가스 혼합비 1:5의 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스
원료분체: 가스 분사법에 의한 입경 5μm의 텅스텐 카바이드 분체에, 물 분사법에 의한 입경 20μm의 코발트 분체를 5% 혼합하여 준비된 혼합체
박층 104의 두께: 40μm
전압: 주파수 100kHz의 교류 전압 20kV
플라즈마 질화처리 시간: 10분
레이저 빔 가열형성 처리의 조건
용융 부분: 박층 104의 25mm × 25mm의 정방형 부분
층들의 수: 100
적층의 높이: 4mm
예 3에서 사용된 원료분체가 고융점이기 때문에, 예 1에 비교해서 상기 층의 표면을 통한 플라즈마 질화처리에 시간이 더 걸릴 가능성이 높다. 이에 따라, 저항 히터(137)로 가열해서, 플라즈마 질화처리 및 레이저 빔 가열형성 처리의 작업 전체에 걸쳐서 박층 104와, 상기 질화 박층 104'의 적층을, 600℃로 유지하였다. 박층 104와, 상기 질화 박층 104'의 적층을 고온으로 유지하기 위한 이러한 보조 가열은, 질소와의 반응 속도를 향상시킴에 따라, 플라즈마 질화처리 속도를 높일 수 있다. 또한, 예 3에서는, 레이저 빔 가열형성 처리 전체에 걸쳐 질화 박층 104'에 교류 전압을 인가해서, 플라즈마 발생을 계속했다. 이 작업에 의해, 박층 104뿐만 아니라 질화 박층 104'의 적층이 질소 이온으로 계속 도핑될 수 있다.
예 3에 있어서 얻어진 조형물(301)의 질소농도를 ＸＰS(X선 광전자 분광)를 사용해서 분석한 결과, 11%(원자수의 면에서)이었다. 아르키메데스법을 사용해서 계측한 조형물(301)의 밀도는, 99.2%이었다. 비커스 경도계를 사용해서 계측한 조형물(301)의 경도ＨＶ는, 3500이었다. 이에 따라, 그 조형물(301)이, 통상의 분체소결에 의해 형성된 바인더로서 코발트를 사용하여 텅스텐 카바이드의 조형물만큼 단단하거나 조형물보다 단단한 것이 확인되었다.
제1 실시예의 효과
제1 실시예에서는, 원료분체의 각 박층 104를 그대로 직접 플라즈마 질화 처리한다. 이 때문에, 플라즈마 발생 시간을 늘려서 질화 박층 104'의 질소농도를 원하는 레벨로 향상시킬 수 있다. 플라즈마 발생 시간을 제어함으로써, 질화 박층 104'의 질소농도를 정밀하게 제어할 수 있다.
제1 실시예에서는, 질소와 감소된 산소를 함유하는 분위기에서 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 형성 공정에서 형성된 박층 104에 교류 전압을 인가함으로써, 박층 104의 원료분체를 질화한다. 이 때문에, 부동화 피막을 형성하기 위해 원료분체를 산화하지 못하게 함에 따라서, 질소의 침투 속도를 높일 수 있다.
제1 실시예에서는, 질소, 수소 및 감소된 산소를 함유하는 분위기에서 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 형성 공정에서 형성된 박층 104에 교류 전압을 인가함으로써, 박층 104의 원료분체를 질화한다. 수소에 의해 원료분체의 산화막을 환원해서 부동화 피막을 제거한다. 따라서, 질소의 침투 속도를 높일 수 있다.
제1 실시예에서는, 용기(101)안에 생성된 대기압미만의 압력을 갖는 분위기에서 조형물을 제조한다. 이 때문에, 대기압이상의 압력을 갖는 분위기에서 플라즈마를 발생시킬 경우보다, 플라즈마를 보다 안정하게 유지한다.
제1 실시예에서는, 용기(101)안에 생성된 1Ｐａ이상 20ｋＰａ미만의 범위에서의 압력을 갖는 분위기에서 조형물을 제조한다. 이 때문에, 제1 실시예보다도 낮은 진공도에서 플라즈마를 발생시키는 경우에 비교하여, 원료분체에 고농도로 질소를 함유시킬 수 있다.
제1 실시예에서는, 용기(101)를 제1의 압력으로 감압하고 나서, 용기(101)에 질소를 함유하는 물질을 공급해서, 제1의 압력보다도 높은 대기압미만의 제2의 압력의 분위기를 생성한다. 이 때문에, 플라즈마를 발생시키는 분위기로부터 산소를 많이 감소시킨다. 따라서, 원료분체에서 유래하는 산소나 수분에 의한 분위기의 오염을 방지한다.
제1 실시예에서는, 용기(101)로부터 전기적으로 절연된 조형 용기(107)에 박층 104를 형성하여, 플라즈마를 발생시킨다. 이 때문에, 원료분체에 교류 전압을 인가했을 때에 생긴 전류누설이 감소되고, 이에 따라 박층의 표면에 플라즈마를 집중시켜서 박층 104를 효율적으로 질화할 수 있다.
제1 실시예에서는, 박층 104를, 히터로 가열해서 박층 104의 온도를 일정하게 유지한 상태로 질화한다. 이 가열에 의해, 원료분체의 질화 속도가 높아지고, 아울러, 제1층으로부터 최종층까지 상기 층들의 질화된 원료분체를 동일한 상태로 유지한다.
제1 실시예에서는, 원료분체가, 물 분사법에 의해 제조된 금속입자다. 이에 따라, 가스 분사법에 의해 제조된 금속입자를 사용하는 경우와 비교하여 재료 비용이 삭감된다. 일반적으로, 물 분사법에 의해 제조된 금속입자는 두껍게 부동화 피막으로 덮어져 있다. 제1 실시예에서는, 부동화 피막을 제거하면서 질소를 효율적으로 도입한다.
제1 실시예에서는, 조형 용기(107)의 적층 기재(112) 위에 이전에 형성된 박층 104로부터 변환된 질화 박층 104' 위에 다른 박층 104를 형성한다. 이 때문에, 좁은 바닥 면적의 용기(101)이어도, 작은 평면적의 조형 용기(107)이어도, 대량의 원료분체를 질화할 수 있다.
제1 실시예에서는, 질화 박층 104'의 고형화 부분에 레이저 빔ＬＢ를 조사해서 고형화한다. 레이저 빔은, 저진공도에서도 감쇠나 산란하지 않는다. 전자 빔과 달리, 레이저 빔은, 1Ｐａ이상 20ｋＰａ미만의 낮은 진공도에서도 산란없이 질화 박층 104'를 효율적으로 가열할 수 있다. 또한, 질화 박층 104'에 대해, 외기에 노출되지 않고 즉시 레이저 빔 가열형성 처리를 실행할 수 있다.
제1 실시예에서는, 레이저 빔ＬＢ로 조사중에, 1Ｐａ이상 20ｋＰａ미만의 분위기가 유지된다. 이 때문에, 용기(101)안의 가스분자의 자유 경로 길이가 짧아져서, 레이저 빔ＬＢ의 조사 창문(106e)(도 1에 도시됨)에 원료분체 구성 성분이 적층되는 것이 방지된다.
제1 실시예에서는, 레이저 빔ＬＢ의 조사중에도, 질소, 수소 및 감소된 산소를 함유하는 분위기에서, 질화 박층 104'에 교류 전압을 인가해서 플라즈마를 발생시킨다. 이 때문에, 레이저 빔ＬＢ의 가열에 의해 손실되는 질화 박층 104'의 질소가 보충된다.
제1 실시예에서는, 절연성의 조형 용기(107)에서의 박층 104에 교류 전압을 인가한다. 이 때문에, 조형 용기(107)에 플라즈마를 발생시키지 않고 박층 104의 표면에 플라즈마를 집중시킨다.
제1 실시예에서는, 전극(108)이 조형 용기(107)안에서 박층 104 또는 질화 박층 104'에 접촉해서 교류 전압을 인가한다. 이때, 박층 104가 방전 전극으로서 작용하므로, 다른 전극 또는 평판전극등의 부재가 불필요하다.
제1 실시예에서는, 박층 104에만 교류 전압을 인가해서 박층 104에서만 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이 때문에, 박층 104의 전체면에 대하여 플라즈마로부터의 질소 이온을 효율적으로 도핑한다. 따라서, 고속, 고농도 플라즈마 질화처리가 행해진다.
조형물의 질소농도
제1 실시예에서는, 소위 존 용융법에서와 같이, 하층의 결정핵으로부터 결정들을 연속해서 성장시켜서, 조형물(301)을 제조한다. 이 때문에, 조형물(301)은, 원료분체의 박층 104로부터 변환된 질화 박층 104'를 레이저 빔ＬＢ에 의해 용융하고 나서 그 질화층을 고형화시켜서 각각 제조된, 제1층으로부터 최종층으로의 방향으로 결정이 병렬로 성장한 결정 조직을 가진다. 조형물(301)은, 원자수의 면에서 10%이상의 질소를 함유하고, 조형물(301)의 표면뿐만 아니라 내부 전체에 걸쳐서도 균일하게 질화된다.
제1 실시예에서는, 조형물(301)의 질소농도가 10%(원자수의 면에서)이상이 된다. 이러한 고농도의 질소를 금속의 원료분체에 첨가하는 기술은 없었다. 질소농도가 높은 이유의 하나는, 플라즈마 질화처리에 의해, 원료분체가 질소 이온으로 효율적으로 도핑될 수 있기 때문이다. 다른 이유는, 용기(101)내의 진공도가 많이 높지 않기 때문에, 질화반응에 기본적인 질소를 충분히 확보할 수 있기 때문이다. 조형물(301)에 대한 박층의 적층이 질화되는 경우, 그 적층의 표면만이, 상기 적층의 내부를 균일하게 질화시키지 않고 질화된다. 비록 각 박층에 대해 질화처리할지라도, 그 박층들이 충분히 질화되지 않으면, 그 박층들의 표면만이 질화되고, 박층의 내부는 질화되지 않고, 상기 층들이 적층되는 방향으로 결과적인 조형물(301)의 질소농도가 불균일해진다. 제1 실시예에서는, 플라즈마 분위기에서 각 박층 104를 질화함으로써, 박층의 표면뿐만 아니라 내부도 질화될 수 있다. 따라서, 그 내부를 포함한 조형물(301) 전체에 걸쳐서 균일하게 질소농도를 향상시킨다.
조형물의 밀도
상술한 것 같이, 분말 베드 적층기술들 중 하나로서, 세라믹만큼 단단한 삼차원의 조형물을 제조하는 적층후 소결 프로세스가 있다. 이 프로세스에서는, 수지를 바인더로서 함유하는 원료분체의 조형물을 형성하고 나서, 그 바인더를 가열 연소시키면서 원료분체를 소결시킨다. 그러나, 적층후 소결 기술에서는, 소결에 의해 분체 입자를 결합하기 때문에, 결과적인 조직에 많은 구멍이 형성되어 있고, 결과적인 삼차원의 조형물의 밀도는 최대한 85%정도다.
한편, 산소를 포함하는 대기중의 분위기에서 행해지는 분말베드 용융결합 방식에서는, 철 합금 분체나 티타늄 합금 분체 등의 금속 원료분체의 박층을 레이저 빔 가열형성 처리에 의해 각각 형성하므로, 결과적인 삼차원의 조형물은, 밀도가 99%이상이고 치밀한 부품일 수 있다.
특히, 제1 실시예의 예들은, 조직에 구멍이 거의 없는 밀도가 99.5%이상의 치밀한 부품을 제조할 수 있다. 제1 실시예에서는, 종래의 금속 분말베드 용융결합법으로 제조된 삼차원 조형물만큼 높은 99%이상의 밀도를 갖고, 분체소결에 의해 제조된 질화 세라믹 부품과 같이 높은 경도를 갖는, 삼차원의 조형물(301)을 제조할 수 있다.
제2 실시예
제2 실시예에서는, 질화분체 제조 장치에 있어서 플라즈마 질화처리된 원료분체를, 질화분체 제조 장치와는 다른 조형물 제조 장치에 있어서 레이저 빔 가열형성 처리에 의해 조형물(301)로 조형한다.
질화분체 제조 장치
도5는 플라즈마 질화처리의 흐름도다. 제2 실시예에서는, 도1에 도시된 조형물 제조 장치(100)를 질화분체 제조 장치로서 사용하고, 광원(110) 및 주사 가열기구(106)를 플라즈마 질화처리에 있어서의 가열부로서 사용한다. 도5에 도시한 바와 같이, 유저가 조작부(201)를 조작해서 플라즈마 질화처리의 시작을 지령하면, 제어부(200)는, 배기기구(103)를 작동시켜서 용기(101)를 배기한다(S31). 제어부(200)는, 용기(101)안이 소정의 진공도(1×102Ｐａ)에 도달하면, 가스 공급 기구(102)를 작동시켜서 가스공급을 시작한다(S32). 제어부(200)는, 용기(101)안이 프로세스가 시작하는 압력에 도달하면, 박층 형성 기구(105)를 작동시켜서 원료분체의 박층 104를 형성한다(S33). 그리고, 제어부(200)는, 전원(113)을 작동시켜서 플라즈마 발생을 시작해(S34), 박층 104의 플라즈마 질화처리ＰＮ을 설정 시간이 경과할 때까지 실행한다(S35의 NO동안에). 이때, 주사 가열기구(106)는, 광원(110)으로부터 제1 실시예보다도 출력을 약화시켜서 방출시킨 레이저 빔ＬＢ가, 박층 104의 표면 전체에 균일하게 주사해서 플라즈마 질화처리되는 박층 104를 가열하는데 도움이 되도록 작동한다.
제어부(200)는, 박층 104의 플라즈마 질화처리ＰＮ이 종료한 후(S35의 YES), 전원(113)을 정지시켜서 질화 박층 104'에 있어서의 플라즈마 발생을 정지한다(S36). 제어부(200)는, 적층 기재(112)의 하강 횟수가 한계값에 도달해서 조형 용기(107)가 가득찰 때까지(S37의 NO동안에), 박층 형성(S33), 플라즈마 질화(S34, S35), 및 플라즈마 발생 정지(S36)를 반복한다. 제어부(200)는, 적층 기재(112)의 하강 횟수가 한계값에 도달하면(S37의 YES), 가스공급을 정지해(S38), 용기(101)안에 외기를 공급한다(S39). 그리고, 상기 제어부는, 질화된 분체의 제거를 허가한다. 이 허가는, 표시부(202)에 표시되어 있다.
이상 설명한 바와 같이, 조형물 제조 장치(100)는, 박층 형성과 플라즈마 질화처리를 반복하여 조형 용기(107)안에 질화 박층 104'를 적층하여서, 질화된 원료분체를 준비한다. 레이저 빔ＬＢ로 플라즈마 질화처리되는 박층 104를 가열하여서, 원료분체의 질화처리를 가속한다.
레이저 빔 가열형성 장치
도6은 레이저 빔 가열형성 처리의 흐름도다. 제2 실시예에서는, 도1에 도시된 조형물 제조 장치(100)를 레이저 빔 가열형성 장치로서 사용한다. 유저는, 박층 형성 기구(105)에 제1 실시예에서의 미질화된 원료분체 대신에, 도5의 플라즈마 질화처리에 의해 준비된 상기 질화된 원료분체를 충전한 상태로, 조작부(201)를 조작하여서 레이저 빔 가열형성 처리의 시작을 지령한다.
도6에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 레이저 빔 소결처리의 시작이 지령되면, 배기기구(103)를 작동시켜서 용기(101)를 배기한다(S41). 제어부(200)는, 용기(101)안이 소정의 진공도(1×10-2Ｐａ)에 도달하면, 가스 공급 기구(102)를 작동시켜서 가스공급을 시작한다(S42). 제어부(200)는, 용기(101)안이 프로세스 시작 압력에 도달하면, 박층 형성 기구(105)를 작동시켜서 조형 용기(107)에 질화 박층 104'을 직접 형성한다(S43). 그리고, 제어부(200)는, 전원(113)을 작동시켜서 플라즈마 발생을 시작해(S44), 질화 박층 104'에 대해 설정 시간이 경과할 때까지 플라즈마 에칭 처리ＰＥ를 실행한다(S45의 NO 동안에).
제어부(200)는, 질화 박층 104'의 플라즈마 에칭 처리ＰＥ의 종료 후(S45의 YES일 때), 주사 가열기구(106) 및 광원(110)을 작동시켜서, 질화 박층 104'의 레이저 빔 가열형성 처리를 행한다(S46). 제어부(200)는, 질화 박층 104'의 1층분의 레이저 빔 가열형성 처리의 종료 후(S46), 전원(113)을 정지시켜서 질화 박층 104'에 있어서의 플라즈마 발생을 정지시킨다(S47).
제어부(200)는, 층들의 수(적층 횟수)가 조형물(301)을 얻는데 필요한 수에 도달할 때까지(S48의 NO 동안에), 박층 형성(S43), 플라즈마 질화(S44, S45), 레이저 빔 소결(S46), 및 플라즈마 발생 정지(S47)를 반복한다. 제어부(200)는, 층들의 수 또는 적층 횟수가 조형물(301)을 얻는데 필요한 수에 도달하면(S48의 YES일 때), 가스공급을 정지해(S49), 용기(101)안에 외기를 공급한다(S50). 그리고, 상기 제어부는, 조형물의 제거를 허가한다. 이 허가는, 표시부(202)에 표시되어 있다.
이상 설명한 바와 같이, 조형물 제조 장치(100)는, 박층 형성, 플라즈마 에칭 처리, 및 레이저 빔 가열형성 처리를 반복하여서, 질화 박층 104'의 적층에 의해 정의된 삼차원의 조형물(301)을 제조한다.
제3 실시예
상기 제1 실시예에서는 레이저 빔 가열형성 처리에 의해 질화 박층을 용융해서 고형화했지만, 제3 실시예에서는 전자 빔 가열형성 처리에 의해 질화 박층을 용융해서 고형화한다.
조형물 제조 장치
도7은 제3 실시예에서 사용된 조형물 제조 장치의 설명도다. 도7에 도시한 바와 같이, 제3 실시예의 조형물 제조 장치는, 동일한 구성을 갖고, 질화 박층의 가열형성 처리에 있어서 레이저 빔 대신에 전자 빔을 사용하는 것 이외는, 상기 제1 실시예의 조형물 제조 장치와 마찬가지로 플라즈마 질화처리와 가열형성 처리의 공정을 행한다. 따라서, 도7에서, 제1 실시예와 동일한 부분에는 도1과 동일한 참조부호로 지정해서, 그에 대한 설명을 생략한다.
조형물 제조 장치(300)는, 분말베드 용융결합 방식의 소위 3D프린터다. 배기기구(103)는, 용기(101)를 배기한다. 가스 공급 기구(102)는, 용기(101)에 가스를 공급한다. 조형물 제조 장치(300)는, 원료 분체를 질화해서 질화분체만을 제조하는 것만의 질화분체 제조 장치로서 사용될 수도 있다.
전자 빔 가열/용융 기구
전자 빔 히터(306)는, 전자 빔을 발생해서 주사 함에 의해, 각 박층 104의 입력 데이터에 따라 고형화되는 부분을 전자 빔의 스폿으로 가열한다. 전자 빔 제어부(310)는, 전자 빔 히터(306)로부터의 전자 빔의 발생과 전자 빔의 주사를 제어한다.
전자 빔 히터(306)는, 조형 용기(107)의 상면의 박층 104를, 전자 빔에 의해 가열하여서, 거의 순간적으로 그 박층을 용융해서 하층의 고체조직과 일체화하기 위해 고형화시킨다. 이에 따라, 조형 용기(107)의 상면의 질화 박층 104'의 원하는 부분을 용융하여 고형화한다. 이때, 도2에 도시한 바와 같이, 저항 히터(137)에 통전하여서, 질화 박층 104'의 온도를 높게 유지하는 것이 바람직하다. 질화 박층 104'를 가열함으로써, 전자 빔 가열에 의해 그 질화 박층을 용융하는 효율이 높아진다. 따라서, 저출력 전자 빔으로도 고속 형성이 이루어질 수 있다. 따라서, 질화 박층 104'의 용융상태의 변동을 감소시킴에 따라, 결과적인 조형물(301)의 조직이 균일할 수 있다.
전자 빔 가열형성 처리 동안의 진공도
제3 실시예의 조형물 제조 장치(300)에서는, 용기(101)안의 가스분자에 의해 전자 빔이 산란된다. 이에 따라, 전자 빔 가열형성 처리의 공정 동안에, 용기(101)안의 진공도는 10-1Ｐａ이하로 감소된다. 따라서, 제3 실시예의 조형물 제조 장치(300)에서는, 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 상기 용기에 공급해서 진공도를 100Ｐａ로 유지해서 플라즈마 에칭 처리를 행하고 나서, 혼합 가스의 공급을 정지한 후 회복된 10-1Ｐａ의 진공에서 전자 빔 가열형성 처리를 실행한다.
비교 예 1
비교 예 1은, 제3 실시예의 조형물 제조 장치를 사용하지만, 여기서 플라즈마 질화처리되지 않고 원료분체의 각 층에 대해 전자 빔 용융을 실행한다. 따라서, 도7을 참조하여 비교 예 1을 설명한다. 도7에 도시한 바와 같이, 제3 실시예에서는, 금속재료에 대해 분말베드 용융결합을 행하고 있는 동안에, 전자 빔을 조사한 재료와 질소를 함유하는 반응 가스를 접촉시킨다. 이렇게 하여, 금속을 질화하면서 금속재료의 층들을 적층한다. 용기(101)의 내부는, 가스 공급 기구(102)와 배기기구(103)를 사용하여서 원하는 진공도 및 원하는 가스 혼합비로 제어된다. 박층 형성 기구(105)는, 용기(101)내에서 원료분체의 박층 104를 형성한다. 전자 빔 히터(306)는, 각 박층 104에 대해 전자 빔 용융을 행한다.
비교 예 1에서는, 전자 빔을 박층 104에 조사함으로써 그 박층 104의 원료분체를 용융한다. 이때, 전자 빔이 조사되어서 가열 또는 용융된 원료의 금속재료와 용기(101)안의 질소를 함유하는 반응 가스를 반응시킨다. 이렇게 하여, 조형물이 질화된다.
비교 예 1에서는, 금속의 일부를 질화해서 고형화할 수 있지만, ＴｉＮ, ＡｌＮ 및 SｉＮ등의 질화 세라믹만큼 단단한 삼차원의 조형물을 제공하지 않는다. 비교 예 1의 프로세스가 단단한 조형물을 제조하지 않는 다음의 2가지 원인이 생각된다. 첫째, 제3 실시예에서는, 용융 처리중에 전자 빔의 조사 지름은 수 10μm∼수 100μm만큼 작고, 용융을 위한 조사 시간은 스폿마다 수 10ｍsｅｃ만큼 짧다. 이러한 국소적 및 단시간 조사는, 금속입자를 충분히 질화하는 것은 현실적이지 않다.
둘째, 비교 예 1에서는, 전자 빔의 평균 자유 경로 길이를 확보하기 위해서 용기(101)를 고진공도로 유지할 필요가 있다. 이 때문에, 질화처리를 위해 고농도의 가스 분자를 포함하는 환경을 용기(101)내에 생성할 수 없다. 예를 들면, 전자 빔이 적층 기재(112)의 표면의 수cm의 이차원 영역을 주사할 수 있는 거리는 적어도 수 10cm다. 전자 빔이 수 10cm의 거리를 이동할 수 있는 진공도는 1.0×10-5Ｐａ∼1.0×10-2Ｐａ다. 이러한 희박한 가스 분위기에서는, 원료분체의 박층의 질화처리에 질소농도가 부족하다. 따라서, 결과적인 삼차원의 조형물의 질소농도는 최대 3%(원자수의 면에서)정도다. 이렇게 저 질소 농도의 분위기에서 제조된 질화된 질화 금속재료는, 금속보다 높은 경도를 보이지만, 질화 세라믹보다는 훨씬 낮다.
제1 실시예에서는, 0.1기압정도의 고농도의 질소 가스 분위기에서 적어도 수분간 플라즈마 질화를 행할 수 있어서, 비교 예 1의 기술적인 문제점을 해소한 결과, 단단한 조형물(301)을 제공한다.
그 밖의 실시예
본 발명의 질화분체 제조 방법, 조형물 제조 방법, 질화분체 제조 장치, 및 조형물 제조 장치는, 제1 실시예 내지 제3 실시예에 개시된 구성요소나 부재를 포함하는 것들이나, 상기 개시된 실시예들에서의 수치조건 및 제어하에 행해진 것들에 한정되지 않는다. 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 어느 하나의 구성요소나 부재들의 하나 이상 또는 전부를 등가의 부재 또는 등가의 부재들로 대체하여서 다른 실시예가 실현되어도 된다.
예 1, 2, 3에서 사용된 전압 및 압력은, 조형 용기(107)의 크기, 원료분체의 크기, 박층 104의 두께 등의 파라미터에 따라서 조정될 수 있다. 예를 들면, 예 1, 2, 3에 있어서는, 박층 104에 교류 전압만을 인가했지만, 부극성의 직류 전압을 교류 전압에 중첩하여, 정극성 이온의 충돌 속도를 높이는 것에 의해, 박층 104를 가열하는 성능을 향상시켜도 된다.
제1 실시예에서는, 박층 104에 전압을 인가해서 플라즈마를 발생시키는 동안에, 수소 가스와 질소 가스의 혼합 가스를 일정한 비율로 계속해서 공급했다. 그러나, 플라즈마 발생의 초기 단계에서는, 수소 가스만, 혹은 수소 가스와 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 공급해서 원료분체의 스퍼터링 클리닝을 행해도 좋다.
제1 실시예에서는, 저항 히터(137)에 의해 플라즈마 질화처리중의 층을 가열하였다. 그러나, 플라즈마 질화처리중의 가열은, 항상 히터를 사용하여서 행해지지 않는다. 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 공급하고, 박층 104에 인가된 교류 전압에 중첩된 부극성의 바이어스 전압을 증가시키는 것에 의해, 소위 스퍼터링 가열을 행해도 좋다.
제2 실시예에서는, 1회의 플라즈마 질화처리마다 용기(101)를 대기압으로 되돌아가는 소위 배치(ｂａｔｃｈ)식 프로세스의 질화분체 제조 장치를 설명했다. 그러나, 다른 실시예에서는, 질화분체 제조 장치는, 플라즈마 질화처리를 행하는 처리실이, 대기로부터 그 처리실에 원료분체를 이동시키기 위한 감압실과, 질화된 원료분체를 상기 처리실로부터 대기중에 이동시키기 위한 벤트(vent)실에 접속된 인라인(in-line)식 구성을 가져도 된다.
또한, 제2 실시예에서는, 1개의 용기(101)안에 1개의 조형 용기(107)를 배치하는 조형물 제조 장치를 설명했다. 그러나, 조형물 제조 장치는, 1개의 용기(101)안에 플라즈마 질화처리용의 복수의 조형 용기(107)와 레이저 빔 가열형성 처리용의 1개의 조형 용기(107)를 가져도 된다.
제4 실시예
제4 실시예에서는, 원료의 박층을 플라즈마 탄화하고, 탄화된 분체의 박층을 레이저 빔으로 즉시 가열 용융하고 나서 고형화한다. 이러한 층들의 적층은, 조형물(301)을 정의한다. 이 실시예의 경우, 상기 제1 실시예와 같은 장치 및 방법은, 상기 조형물을 제조하는데 사용되어도 된다. 제4 실시예는, 상기 제1 실시예와 같은 도면을 참조하여 설명한다.
조형물 제조 장치
도1은 제4 실시예에서 사용된 조형물 제조 장치의 설명도다. 도2는 조형 용기의 설명도다. 도1에 도시한 바와 같이, 조형물 제조 장치(100)는, 분말베드 용융결합 방식의 소위 3D프린터다. 용기(101)는, 스테인리스강으로 구성되고, 밀폐가능하다. 계측 디바이스의 일종인 진공계(208)는 용기(101)에 접속되고, 용기(101)안의 압력을 계측한다.
분위기 생성부의 일종을 구성하는 가스 공급 기구(102), 배기기구(103), 및 진공계(208)를 사용하여서, 탄소와 감소된 산소를 함유하는 분위기를 생성한다. 감압 디바이스의 일종인 배기기구(103)는, 용기(101)안을 감압가능하다. 배기기구(103)는, 주로 산소를 감소시키기 위해서, 용기(101)를 배기한다. 배기기구(103)는, 드라이 펌프와, 이 드라이 펌프에 직렬로 접속된 터보 분자 펌프를 구비하고, 용기(101)를 예를 들면 1×10-4Ｐａ의 진공까지 배기할 수 있다.
배기기구(103)는, 용기(101)와의 접속부에 개구 크기를 조정가능한 개구조정 밸브를 가진다. 제어부(200)는, 가스 공급 기구(102)로부터 용기(101)에 가스를 공급하면서 진공계(208)의 출력에 따라서 이 개구조정 밸브를 제어함으로써, 용기(101)안을 원하는 분위기와 진공도로 제어할 수 있다.
공급기(feeder)의 일종인 가스 공급 기구(102)는, 탄소 및 수소를 함유하는 탄화수소 가스를 용기(101)안에 공급한다. 가스 공급 기구(102)는, 탄화수소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 원하는 비율로 용기(101)안에 공급가능하다. 2개의 가스 공급 기구는, 탄화수소 가스와 수소 가스를 따로따로 공급해도 좋다.
도2에 되돌아가면, 분체용기의 일종인 조형 용기(107)는 조형실(109)을 구비하고, 적층 기재(112)는 그 조형실(109)내에 수직으로 이동가능하게 배치되어 있다. 하강 기구(111)는, 박층의 두께에 따른 피치로 적층 기재(112)를 단계적으로 하강시킬 수 있다. 조형실(109)에는, 박층 104를 탄화의해 각각 변환된 탄화 박층 104'이 적층을 만든다.
조형실(109)의 벽에는 히터의 일종인 저항 히터(137)이 매립되어서, 박층 104를 가열할 수 있다. 또한, 적층 기재(112)의 상면에는, 온도 센서(209)가 설치된다. 제어부(200)는, 온도 센서(209)의 출력에 따라 저항 히터(137)에 통전하는 전류를 ＯＮ/ＯＦＦ제어함으로써, 박층 104를 가열해서 일정 온도로 유지한다.
형성 디바이스의 일종인 박층 형성 기구(105)는, 용기(101)안에 배치된 조형 용기(107)의 조형실(109)에 원료분체의 박층 104를 형성한다. 박층 형성 기구(105)는, 가이드(132)에 의해 안내되어서 조형 용기(107)의 상면을 따라 화살표R105 방향으로 이동하는 이동부(133)를 구비한다. 원료분체(135)는, 원료실(130)에 저장되고, 바닥판(134)을 상승시키는 것으로 조형 용기(107)의 상면보다도 높은 위치로 올려진다. 박층 형성 기구(105)는, 금속 롤러(131)를 조형 용기(107)의 상면에 대하여 카운터 방향으로 회전시키면서 조형 용기(107)의 상면에서 원료분체를 평평하게 만들어서, 조형실(109)의 상면에 균일한 두께로 원료분체(135)의 아주 밀도가 높은 박층 104를 형성한다. 한층 더, 박층 형성 기구(105)는, 조형실(109)에 이전에 형성된 박층 104로부터 변환된 탄화 박층 104' 위에, 원료분체의 다른 박층 104를 형성한다. 이렇게 하여 조형실(109)안에 형성된 탄화 박층 104' 및 박층 104의 적층은, 상기 용기(101)로부터 전기적으로 분리되어 있다.
조형 용기
도1에 도시한 바와 같이, 조형 용기(107)는, 용기(101)로부터 전기적으로 절연되어 있다. 조형 용기(107) 및 적층 기재(112)는, 그 표면들에서의 플라즈마 발생을 피하기 위해서, 절연 재료로 구성되어 있다. 이 때문에, 조형 용기(107)의 박층 104에 접촉하는 면은 절연 재료로 구성되어 있다. 전극(108)(전원 디바이스)을 통해, 원료분체의 박층 104에 전원(113)으로부터의 전압을 공급한다. 전극(108)은, 용기(101)안의 표면에서의 플라즈마 발생을 피하기 위해서, 절연 재료로 이루어진 커버(108a)로 덮어져 있다.
제4 실시예에서는, 절연성의 조형 용기(107)와 전극(108)을 사용해서 원료분체의 박층 104에 교류 전압을 인가한다. 이러한 구조는, 박층 104의 플라즈마 탄화에 대해서 효율적이다. 일반적으로, 원료분체는, 비록 금속분체일지라도 그 분체의 표면이 부동화 피막으로 덮어지기 때문에 도전성이 부족하다. 이 때문에, 종래는, 원료분체에 근접해서 코일이나 평판전극등의 부재를 배치하는 것이 플라즈마 발생에는 불가결이라고 생각되었다. 그러나, 조형물 제조 장치(100)에서는, 레이저 빔을 조사하기 위한 광로를 확보해야 하기 때문에, 박층 104의 직상에 평판전극등의 부재를 배치하는 것이 어렵다. 덧붙여, 수평방향으로 이동하는 박층 형성 기구(105)와의 간섭을 피하기 위해서, 박층 104의 직상에 평판전극등의 부재를 배치하면, 그 부재는 박층 104를 형성할 때마다 물리적으로 퇴피되어야 한다. 1개의 조형물(301)을 조형하기 위해 박층 형성은 수백회 내지 수천회 반복하므로, 상기 부재의 물리적인 퇴피는, 비효율적이다. 이에 따라, 제4 실시예에서는, 박층 104를 보유하는 조형 용기(107)를 용기(101)로부터 전기적으로 절연한 상태에서, 박층 104에 접촉하는 전극(108)에 교류 전압을 인가한다. 이러한 구성에 의해, 평판전극등을 사용하지 않고, 박층 104의 표면전체에 탄소 이온을 포함하는 플라즈마를 균일하게 발생시켜, 원료분체가 균일하고 신속하게 탄화될 수 있다.
플라즈마 탄화 처리
도1 및 도2에 도시한 바와 같이, 조형물 제조 장치(100)는, 조형 용기(107)에 형성된 원료분체의 박층 104에 교류 전압을 인가해서 박층 104의 인접공간에 플라즈마를 발생시킨다. 조형물 제조 장치(100)는, 최초의 층으로서 적층 기재(112) 위에 형성된 박층 104, 또는 2층째이후의 박층 104로서 탄화 박층 104' 위에 형성된 박층 104를, 탄소 이온과 수소 이온을 포함하는 플라즈마에 보유하여, 그 박층을 탄화 처리한다.
전원 디바이스의 일종을 구성하는 전원(113) 및 전극(108)은, 박층 104에 교류 전압을 인가한다. 전원(113)은, 조형 용기(107)안에서 박층 104또는 탄화 박층 104'에 접촉하여, 전극(108)을 통해서 박층 104에 교류 전압을 인가한다. 전원(113)은, 직류 전압과 중첩된 교류 전압을 출력할 수 있다. 직류 전압은, -500V∼+500V의 범위에서 단계적으로 설정될 수 있다. 교류 전압은, 0∼2000V의 진폭범위, 및 10kHz∼500kHz의 주파수 범위에서 각각 단계적으로 설정될 수 있다.
제어부(200)는, 용기(101)에 탄소 가스를 공급하면서 진공도를 1Ｐａ이상 20ｋＰａ미만으로 유지하도록, 전원(113)을 작동시킨다. 이에 따라, 박층 104의 인접공간에 국소적으로 플라즈마가 발생하고, 박층 104의 원료분체가 효율적으로 플라즈마에 노출된다. 이때, 도2에 도시한 바와 같이, 저항 히터(137)가 통전하여, 적층 기재(112) 위의 원료분체의 박층 104를 보조적으로 가열한다. 이렇게 하여, 탄화 처리의 효율을 높일 수 있다. 이 보조 가열은, 저항 히터(137) 대신에, 혹은 저항 히터(137)의 사용과 동시에, 레이저 빔을 사용하여서 행해져도 좋다. 보다 구체적으로는, 상기 박층 104는, (후술하는) 레이저 빔의 출력을 약화시키고, 혹은 스폿의 면적을 넓혀서 조사함에 의해, 박층 104를 용융하지 않는 범위로 가열되어도 된다.
레이저 빔 가열형성 처리
도1에 도시한 바와 같이, 주사 가열기구(106)는, 박층 104로부터 플라즈마 탄화에 의해 변환된 탄화 박층 104'에 에너지 빔의 일종인 레이저 빔을 조사한다. 주사 가열기구(106)는, 광원(110)으로 방출된 레이저 빔을 갈바노 미러106m로 주사하여서 조형물(301)의 설계 데이터에 따라 탄화 박층 104'의 고형화되는 일부를, 그 레이저 빔의 스폿으로 가열한다. 광원(110)은, 출력 500W의 ＹＡＧ레이저 발진기다.
빔 조사기의 일종인 주사 가열기구(106)는, 조형 용기(107)의 조형실(109)의 상면의 탄화 박층 104'를 상기 레이저 빔으로 가열함으로써, 거의 순간적으로 그 탄화 박층 104'를 용융하고 하층의 고체조직과 일체로 고형화시킨다. 이에 따라, 조형실(109)의 상면의 탄화 박층 104'의 원하는 부분은, 용융 및 고형화된다. 이때, 레이저 빔 가열형성 처리중에, 상술한 플라즈마 탄화 처리를 계속하여서, 즉 저항 히터(137)를 통전하여서, 탄화 박층 104'의 온도를 높게 유지하는 것이 바람직하다. 탄화 박층 104'의 온도를 높게 유지하는 것으로, 레이저 빔 가열형성 처리의 효율이 높아진다. 따라서, 저출력 레이저 빔으로도 고속 형성이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 탄화 박층 104'의 용융 상태의 변동을 감소할 수 있음에 따라서, 결과적인 조형물(301)의 조직은 균일할 수 있다.
이 레이저 빔 가열형성 처리의 가열은, 탄화 박층 104'에서 탄화되는 분체의 탄화 처리를 촉진한다. 이 때문에, 상기 플라즈마 탄화 처리로 원료 분체를 완전히 탄화 처리할 필요는 없다. 다시 말해, 플라즈마 탄화 처리로 원료분체가 대략 탄화 처리된 단계에서 행해진 레이저 빔 가열형성 처리에 의해 최종적으로 상기 분체를 용융함으로써, 목표 범위로 탄화가 완료되어도 좋다. 이에 따라, 탄화 처리의 시간을 단축할 수 있고, 이에 따라 조형물(301)의 제조 시간을 단축할 수 있다.
조형물의 제조 프로세스
도3은 조형물의 제조 프로세스의 흐름도이며, 도4a 내지 4f는 조형물 제조 장치에 있어서의 적층을 만드는 설명도다. 도1에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, ＣＰＵ(205), ＲＡＭ(206) 및 ＲＯＭ(207)을 구비한다. ＲＯＭ(207)으로부터 호출된 프로세스의 제어 프로그램을 ＲＡＭ(206)에 저장하여서, ＣＰＵ(205)는 프로세스 컨트롤러로서 기능한다. 유저는, 조작부(201)를 사용하여 프로세스의 시작을 지령한다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 프로세스 시작이 지령되면, 배기기구(103)를 작동시켜서 용기(101)를 배기한다(S11). 용기(101)안의 압력이 1×10-2Ｐａ에 도달하면, 가스 공급 기구(102)에 의한 가스공급을 시작해서 용기(101)를 대기압미만의 프로세스 압력으로 제어한다(S12). 도1에 도시한 바와 같이, 이 공정S11 및 S12에 의해 분위기를 생성하는 공정에서는, 용기(101)를 제1의 압력으로 감압한 후에, 용기(101)에 탄소를 함유하는 물질을 공급한다. 이렇게 하여, 용기(101)에, 제1의 압력보다도 높은 대기압미만의 제2의 압력의 분위기를 생성한다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 용기(101)의 내부가 제2의 압력(예를 들면, 10ｋＰａ)에 도달하면, 박층 형성 기구(105)를 작동시켜서 원료분체의 박층 104를 형성한다(S13). 도4ａ에 도시된 하강 공정에서는, 하강 기구(111)를 작동시켜서 적층 기재(112)를 하강시킴으로써, 조형 용기(107)의 내측에 박층 104의 형성 공간을 형성한다. 도4ｂ에 도시한 바와 같이, 형성하는 공정 또는 공정S13에서는, 박층 형성 기구(105)를 작동시켜서, 적층 기재(112)에 원료분체의 박층 104를 형성한다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 전원(113)을 작동시켜서 플라즈마 발생을 시작해(S14), 박층 104의 플라즈마 탄화처리ＰC를 설정 시간이 경과할 때까지 실행한다(S15의 NO 동안에). 도4ｃ에 도시한 바와 같이, 이 공정S14 및 S15로 이루어진 탄화 공정에서는, 가스 공급 기구(102) 및 전원(113)을 작동시켜서, 적층 기재(112) 위에 원료 분체의 박층 104를 플라즈마 탄화 한다. 탄화 공정에서는, 탄소, 수소 및 감소된 산소를 함유하는 분위기에서, 박층 104에 전원(113)에 의해 교류 전압을 인가해서 플라즈마를 발생시킴으로써, 박층 104의 원료분체를 탄화 한다. 탄화 공정은, 용기(101)안에 생성된 대기압미만(바람직하게는 1Ｐａ이상 20ｋＰａ미만)의 압력의 분위기에서 실행된다. 탄화 공정은, 용기(101)내에 배치되고 용기(101)로부터 전기적으로 절연된 조형 용기(107)에 박층 104를 형성하는 공정에 후속한다. 또한, 그 탄화 공정은, 저항 히터(137)로 가열해서 박층 104의 온도를 일정하게 유지한 상태로 실행된다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 설정 시간이 경과하면(S15의 YES이면), 주사 가열기구(106) 및 광원(110)을 작동시켜서, 탄화 박층 104'의 레이저 빔 가열형성 처리를 실행한다(S16). 도4ｄ에 도시한 바와 같이, 이 공정S16으로 구성되는 빔 형성 공정에서는, 주사 가열기구(106) 및 광원(110)을 작동시켜 레이저 빔 가열형성 처리를 행하여서, 적층 기재(112) 위에 탄화 박층 104'을 용융하고, 고형화한다. 빔 형성 공정에서는, 탄화 박층 104'의 고형화 부분에 에너지 빔을 조사해서 고형화한다. 이 빔 형성 공정은, 탄소, 수소, 및 감소된 산소를 함유하는 분위기에서, 탄화 박층 104'에 교류 전압을 인가해서 행해진 탄화 박층 104'의 플라즈마 탄화처리 PC로 실행된다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 탄화 박층 104'의 1층분의 레이저 빔 가열형성 처리가 종료한 후(S16), 전원(113)을 정지시켜서 탄화 박층 104'에 있어서의 플라즈마 발생도 정지한다(S17). 제어부(200)는, 층의 수(적층 횟수)가 조형물(301)을 얻는데 필요한 수에 도달할 때까지(S18의 NO 동안), 박층 형성(S13), 플라즈마 탄화처리(S14, S15), 레이저 빔 가열형성 처리(S16), 및 플라즈마 발생 정지(S17)를 반복한다. 도4ｅ에 도시한 바와 같이, 2회째 이후의 하강 공정에서는, 하강 기구(111)를 작동시켜서 적층 기재(112)를 하강시킴으로써, 부분적으로 고형화된 탄화 박층 104' 위에 원료분체의 다른 박층 104를 형성하는 공간을 형성한다. 도4ｆ에 도시한 바와 같이, 2회째의 형성 공정에서는, 박층 형성 기구(105)를 작동시켜서 조형 용기(107)의 적층 기재(112) 위에 형성된 탄화 박층 104' 위에 비탄화 원료분체의 박층 104를 형성한다.
도3에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 층의 수 또는 적층 횟수가 조형물(301)을 얻는데 필요한 횟수에 도달하면(S18의 YES이면), 가스공급을 정지해(S19), 용기(101)안에 외기를 공급한다(S20). 그리고, 제어부는, 조형물의 제거를 허가한다. 이 허가는 표시부(202)에 표시되어 있다.
이상 설명한 바와 같이, 조형물 제조 장치(100)는, 상기 박층 형성, 플라즈마 탄화처리, 및 레이저 빔 가열형성 처리를 반복하는 것에 의해, 탄화 박층 104'의 고형화 부분의 적층에 의해 정의된 삼차원의 조형물(301)을 조형한다.
조형물의 재료
이상 설명한 조형물 제조 장치(100)에서 다른 재료와 다른 플라즈마 탄화처리 조건을 사용하여 예 4∼6에서는 조형물(301)의 예들을 형성하였고, 그 예들의 물성과 그 밖의 특성을 시험했다.
예 4
예 4에서는, 이하의 조건으로, 텅스텐 원료분체에 대해 플라즈마 탄화 처리 및 레이저 빔 가열형성 처리를 행했다.
플라즈마 탄화 처리의 조건
용기내의 압력: 1.3ｋＰａ
공급 가스: 가스 혼합비 1:1의 메탄가스와 수소 가스의 혼합 가스
원료분체: 가스 분사법에 의한 입경 3μm의 텅스텐 분체
박층의 두께: 20μm
인가 전압: 주파수 100kHz의 교류 전압 1kV
1층의 플라즈마 탄화처리 시간: 5분
레이저 빔 가열형성 처리의 조건
용융 부분: 탄화 박층의 25mm × 25mm의 정방형 부분
층들의 수: 2000
적층 높이: 40mm
예 4에 있어서 얻어진 조형물(301)의 탄소농도를 ＸＰS(X선 광전자 분광)를 사용해서 분석한 결과, 탄소농도는 22%(원자수의 면에서)이었다. 또한, 아르키메데스법을 사용해서 계측한 조형물(301)의 밀도는, 99.2%이었다. 비커스 경도계를 사용해서 계측한 조형물(301)의 경도ＨＶ는 3200이었다. 이에 따라, 예 4의 조건으로, 통상의 분말소결법으로 제조된 텅스텐 카바이드 초경합금과 동등한 경도의 조형물(301)이 제조된 것이 확인되었다.
예 5
예 5에서는, 이하의 조건으로, 규소 원료분체에 대해 플라즈마 탄화 처리 및 레이저 빔 가열형성 처리를 행했다.
플라즈마 탄화 처리의 조건
용기내의 압력: 3.9ｋＰａ
공급 가스: 가스 혼합비 1:1의 이산화탄소 가스와 수소 가스의 혼합 가스
원료분체: 물 분사법에 의한 입경 5μm의 규소 원료분체
박층의 두께: 20μm
인가 전압: 주파수 100kHz의 교류 전압 20kV
1층의 플라즈마 탄화처리 시간: 10분
레이저 빔 가열형성 처리의 조건
용융 부분: 탄화 박층의 25mm × 25mm의 정방형 부분
층들의 수: 100
적층 높이: 4mm
예 5에서는, 저항 히터(137)로 가열해서, 플라즈마 탄화 처리 및 레이저 빔 가열형성 처리의 작업 전체에 걸쳐 박층 104 및 탄화 박층 104'의 온도를 500℃로 유지했다. 박층 104 및 탄화 박층 104'를 고온으로 유지함으로써, 탄소와의 반응 속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 예 5에서는, 플라즈마 탄화 처리를 계속하면서, 탄화 박층 104'에 대해 레이저 빔을 조사해서 레이저 빔 가열형성 처리를 행했다. 이러한 작업에 의해, 박층 104뿐만 아니라 탄화 박층 104'의 적층을 기본적인 탄소로 계속 도핑할 수 있다.
예 5에 있어서 얻어진 조형물(301)의 탄소농도를 ＸＰS(X선 광전자 분광)를 사용해서 분석한 결과, 탄소농도는 40%(원자수의 면에서)이었다. 또한, 아르키메데스법을 사용해서 계측한 조형물(301)의 밀도는, 99.6%이었다. 비커스 경도계를 사용해서 계측한 조형물(301)의 경도ＨＶ는 2900이었다. 이에 따라, 예 5의 조건으로, 통상의 분말소결법으로 제조된 실리콘 카바이드와 동등한 경도의 조형물(301)이 제조되는 확인되었다.
예 6
예 6에서는, 이하의 조건으로, 규소 원료분체에 대해 플라즈마 탄화 처리 및 레이저 빔 가열형성 처리를 행했다.
플라즈마 탄화 처리의 조건
용기내의 압력: 13.3ｋＰａ
공급 가스: 가스 혼합비 1:2:1의 메탄가스, 수소 가스 및 아르곤 가스의 혼합 가스
원료분체: 물 분사법에 의한 입경 5μm의 실리콘 분체
박층의 두께: 40μm
인가 전압: 주파수 100kHz의 교류 전압 20kV
1층의 플라즈마 탄화처리 시간: 5분
레이저 빔 가열형성 처리의 조건
용융 부분: 탄화 박층의 25mm × 25mm의 정방형 부분
층들의 수: 100
적층 높이: 4mm
예 6에서는, 저항 히터(137)로 보조로 가열하여서, 플라즈마 탄화 처리 및 레이저 빔 가열형성 처리의 작업 전체에 걸쳐서, 박층 104 및 탄화 박층 104'의 적층의 온도를 800℃로 유지했다. 박층 104 및 탄화 박층 104'의 적층을 고온으로 유지함으로써, 규소와 탄소의 반응 속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 예 6에서는, 플라즈마 탄화 처리를 계속하면서, 탄화 박층 104'에 대해 레이저 빔을 조사하여서 레이저 빔 가열형성 처리를 행했다. 이러한 작업에 의해, 박층 104뿐만 아니라 탄화 박층 104'의 적층을 기본적인 탄소로 계속 도핑할 수 있다.
예 6에 있어서 얻어진 조형물(301)의 탄소농도를 ＸＰS(X선 광전자 분광)를 사용해서 분석한 결과, 탄소농도는 11%(원자수의 면에서)이었다. 또한, 아르키메데스법을 사용해서 계측한 조형물(301)의 밀도는, 99.2%이었다. 또한, 비커스 경도계를 사용해서 계측한 조형물(301)의 경도ＨＶ는 3000이었다. 이에 따라, 통상의 ＣＶＤ법으로 제조된 탄화 규소와 동등한 경도인 조형물(301)이 제조되는 것이 확인되었다.
제4 실시예의 효과
제4 실시예에서는, 원료분체의 각 박층 104를 그대로 직접 플라즈마 탄화 처리한다. 이 때문에, 플라즈마 발생 시간을 늘려서 탄화 박층 104'의 탄소농도를 원하는 레벨로 향상시킬 수 있다. 플라즈마 발생 시간을 제어함으로써, 탄화 박층 104'의 탄소농도를 정밀하게 제어할 수 있다.
제4 실시예에서는, 탄소와 감소된 산소를 함유하는 분위기에서 박층 104의 원료분체를 탄화하므로, 부동화 피막을 형성하기 위해 원료분체를 산화하지 못하게 함에 따라서, 탄소의 침투 속도를 높일 수 있다. 또한, 박층 104에 교류 전압을 인가해서 플라즈마를 발생시키므로, 박층 104 위에 전극이나 코일을 배치할 필요가 없다.
제4 실시예에서는, 수소를 함유하는 분위기에서 박층 104에서 플라즈마를 발생시켜서 박층 104의 원료분체를 탄화하므로, 원료분체의 표면을 덮는 산화막을 환원해서 부동화 피막을 제거함에 따라서, 탄소의 침투 속도를 향상시킬 수 있다.
제4 실시예에서는, 용기(101)안에 생성된 대기압미만의 압력을 갖는 분위기에서 플라즈마를 발생시키므로, 대기압이상의 압력을 갖는 분위기에서 플라즈마를 발생시키는 경우보다, 플라즈마를 보다 안정하게 유지할 수 있다.
제4 실시예에서는, 용기(101)안에 생성된 1Ｐａ이상 20ｋＰａ미만 범위의 압력을 갖는 분위기에서 조형물을 제조한다. 이 때문에, 제4 실시예보다도 높은 진공도에서 플라즈마를 발생시키는 경우와 비교하여, 원료분체에 고농도로 탄소를 함유시킬 수 있다.
제4 실시예에서는, 용기(101)를 제1의 압력으로 감압한 후에, 용기(101)에 탄소를 함유하는 물질을 공급해서 제2의 압력의 분위기를 생성한다. 이 때문에, 플라즈마를 발생시키는 분위기로부터 산소를 많이 감소시킨다. 많이 감압함으로써, 원료분체로부터 산소와 수분을 제거한다. 따라서, 탄화 처리를 위한 분위기가 오염되는 것을 피한다.
제4 실시예에서는, 용기(101)로부터 전기적으로 절연된 조형 용기(107)에 박층 104를 형성해서 내부에 플라즈마를 발생시킨다. 이 때문에, 원료분체에 교류 전압을 인가했을 때 생긴 전류누설이 감소되고, 이에 따라, 박층 104의 계면에 플라즈마를 집중시켜서 효율적으로 박층 104를 탄화시킬 수 있다.
제4 실시예에서는, 박층 104를 히터로 가열해서 박층 104의 온도를 일정하게 유지한 상태로 탄화된다. 이 가열에 의해 원료분체의 탄화 속도를 높이고, 아울러, 제1층으로부터 최종층까지의 층들에서 탄화된 원료분체의 상태의 변동을 감소시킨다.
제4 실시예에서는, 원료분체가, 물 분사법에 의해 제조된 금속입자다. 이에 따라, 가스 분사법에 의해 제조된 금속입자를 사용하는 경우와 비교하여 원료 비용이 삭감된다. 일반적으로, 물 분사법에 의해 제조된 금속입자는 두꺼운 부동화 피막으로 덮어져 있지만, 수소 이온과의 반응에 의해그 부동화 피막을 감소시킬 수 있어, 원료분체에 탄소를 효율적으로 도입할 수 있다.
제4 실시예에서는, 조형 용기(107)의 조형실(109)에 이전에 형성된 박층 104로부터 변환된 탄화 박층 104' 위에 다른 박층 104를 형성한다. 이 때문에, 좁은 바닥 면적의 용기(101)이어도, 작은 평면적의 조형 용기(107)이어도, 대량의 원료분체를 탄화할 수 있다.
제4 실시예에서는, 탄화 박층 104'의 고형화 부분에 레이저 빔ＬＢ를 조사해서 고형화한다. 레이저 빔은, 저진공도에서도 감쇠나 산란하지 않는다. 전자 빔과 달리, 레이저 빔은, 1Ｐａ이상 20ｋＰａ미만의 낮은 진공도에서도 산란없이 탄화 박층 104'를 효율적으로 가열할 수 있다. 또한, 탄화 박층 104'에 대해, 외기에 노출되지 않고 즉시 레이저 빔 가열형성 처리를 실행할 수 있다.
제4 실시예에서는, 레이저 빔ＬＢ로 조사중에, 1Ｐａ이상 20ｋＰａ미만의 분위기가 유지된다. 이 때문에, 용기(101)안의 가스분자의 자유 경로 길이가 짧아져서, 레이저 빔ＬＢ의 조사 창문(106e)(도 1에 도시됨)에 원료분체 구성 성분이 적층되는 것이 방지된다.
제4 실시예에서는, 레이저 빔ＬＢ의 조사중에도, 탄소, 수소 및 감소된 산소를 함유하는 분위기에서, 탄화 박층 104'에 교류 전압을 인가해서 플라즈마를 발생시킨다. 이 때문에, 레이저 빔ＬＢ의 가열에 의해 손실되는 탄화 박층 104'의 탄소가 보충되고, 그 탄화 박층 104'가 한층 더 탄화된다.
제4 실시예에서는, 절연성의 조형 용기(107)에서의 박층 104에 교류 전압을 인가한다. 이 때문에, 조형 용기(107)에 플라즈마를 발생시키지 않고 박층 104와의 계면에 플라즈마를 집중시킨다.
제4 실시예에서는, 전극(108)이 조형 용기(107)안에서 박층 104 또는 탄화 박층 104'에 접촉해서 교류 전압을 인가한다. 이때, 박층 104가 교류 전압을 전파하여서 방전 전극으로서 작용하므로, 이 박층 104의 전체에 교류 전압을 전파해주는 평판전극 등의 부재가 불필요하다.
제4 실시예에서는, 박층 104에만 교류 전압을 인가해서 박층 104에서만 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이 때문에, 박층 104는, 계면을 통해 플라즈마로부터의 질소 이온으로 효율적으로 도핑된다. 따라서, 고속, 고농도 플라즈마 탄화처리가 행해진다.
조형물의 탄소농도
제4 실시예에서는, 소위 존 용융법과 동일한 방식으로, 하층의 결정핵으로부터 연속해서 결정들을 성장하여서 조형물(301)을 제조한다. 이 때문에, 조형물(301)은, 원료분체의 박층 104로부터 변환된 탄화 박층 104'을 레이저 빔ＬＢ에 의해 용융해서 고형화시켜서 각각 제조된 제1층으로부터 최종층으로의 방향으로 결정들이 병렬로 성장한 결정 조직을 가진다. 조형물(301)은, 원자수 면에서 10%이상의 탄소를 함유하고, 또한, 조형물의 표면뿐만 아니라 내부 전체에 걸쳐 균일하게 탄화되어 있다.
제4 실시예에서는, 조형물(301)의 탄소농도가 10%(원자수의 면에서)이상이다. 이러한 고농도의 탄소를 금속의 원료분체에 첨가하는 기술은 종래 존재하지 않았다. 이러한 고 탄소 농도의 이유 중 하나는, 플라즈마 탄화 처리에 의해, 원료분체에 대하여, 탄소원자를 효율적으로 도핑 가능하게 하는 것이다. 다른 이유는, 용기(101)안이 고진공도가 아니므로, 탄화 반응에 기본적인 탄소를 충분히 확보할 수 있는 것이다. 조형물(301)의 박층들의 적층이 탄화 처리되는 경우는, 그 적층의 내부를 균일하게 탄화하지 않고 그 적층의 표면만이 탄화 처리된다. 비록 그 박층 각각에 대해 탄화 처리할지라도, 그 박층이 충분히 탄화 처리되지 않으면, 박층의 표면만이 탄화되어서 박층의 내부까지 탄화되지 않아서, 결과적인 조형물(301)의 탄소 농도는 그 층들이 적층되는 방향으로 불균일해진다. 제4 실시예에서는, 플라즈마 분위기에서 각 박층 104를 탄화함으로써, 박층의 표면뿐만 아니라 박층 내부까지 탄화할 수 있다. 따라서, 내부를 포함하는 조형물(301) 전체에 걸쳐 탄소농도가 균일하게 증가된다.
조형물의 밀도
상술한 것처럼, 분말베드 적층기술들 중 하나로서, 세라믹만큼 단단한 삼차원 조형물을 제조하는 적층후 소결 프로세스가 존재한다. 이 프로세스에서는, 수지를 바인더로서 함유하는 원료분체의 조형물을 형성한 후, 그 바인더를 가열 연소시키면서 원료분체를 소결시킨다. 그러나, 적층후 소결 기술에서는, 분체 입자가 소결 결합되기 때문에 결과적인 조직으로 형성되고, 얻어진 삼차원 조형물의 밀도는 최대 85%정도다. 추가로, 고온 소결처리는, 조형물의 밀도를 증가시키지만, 조형물의 정밀도를 저하할 수 있는 수축을 촉진한다.
한편, 산소를 포함하는 대기중의 분위기에서 행해지는 분말베드 용융결합 방식에서는, 철합금 분체나 티타늄 합금 분체등의 금속 원료분체의 박층을 레이저 빔 가열형성 처리에 의해 각각 형성하므로, 밀도가 99%정도의 치밀한 부품이 얻어질 수 있다.
특히, 제4 실시예의 예들은, 조직에 구멍들이 거의 함유되지 않는 밀도가 99.0%이상인 탄화 금속의 치밀한 부품을 제조할 수 있다. 제4 실시예는, 밀도가, 종래의 금속재료에 대한 분말베드 용융결합법으로 제조되고 분체 소결처리에 의해 제조된 탄화 세라믹 부품만큼 높은 경도를 갖는 삼차원 조형물의 밀도 이상인, 탄화 금속의 삼차원 조형물(301)을 제조할 수 있다.
제5 실시예
상기 제4 실시예에서는, 동일한 조형물 제조 장치에 있어서 플라즈마 탄화 처리에 계속되어서 레이저 빔 가열형성 처리를 실행했다. 제5 실시예에서는, 탄화분체 제조 장치에 있어서 플라즈마 탄화 처리된 원료분체를, 그 탄화분체 제조 장치와는 다른 조형물 제조 장치에 있어서 레이저 빔 가열형성 처리에 의해 조형물(301)로 성형한다. 제5 실시예의 경우, 상기 제2 실시예와 같은 장치 및 방법은 그 조형물 제조에 사용되어도 된다. 제5 실시예는, 제2 실시예와 같은 도면을 참조하여 설명한다.
탄화분체 제조 장치
도5는 플라즈마 질화처리와 아울러 플라즈마 탄화 처리의 흐름도를 나타낸다. 제5 실시예에서는, 도1에 도시된 조형물 제조 장치(100)를 탄화분체 제조 장치로서 사용하고, 광원(110) 및 주사 가열기구(106)를 플라즈마 탄화 처리에 있어서의 보조 가열부로서 사용한다.
도5에 도시한 바와 같이, 유저가 조작부(201)를 조작해서 플라즈마 탄화 처리의 시작을 지령하면, 제어부(200)는, 배기기구(103)를 작동시켜서 용기(101)를 배기한다(S31). 제어부(200)는, 용기(101)안이 소정의 진공도(1×10-2Ｐａ)에 도달하면, 가스 공급 기구(102)를 작동시켜서 가스공급을 시작한다(S32). 제어부(200)는, 용기(101)안이 상기 프로세스 시작 압력에 도달하면, 박층 형성 기구(105)를 작동시켜서 원료분체의 박층 104를 형성한다(S33). 그리고, 제어부(200)는, 전원(113)을 작동시켜서 플라즈마 발생을 시작해(S34), 박층 104에 대해 플라즈마 탄화 처리ＰＣ를 설정 시간이 경과할 때까지 실행한다(S35의 NO 동안에). 이때, 주사 가열기구(106)는, 광원(110)으로부터 제4 실시예보다도 출력을 약화시켜서 방출시킨 레이저 빔ＬＢ가 박층 104의 표면 전체에 균일하게 주사해서 플라즈마 탄화 처리에 있어서의 박층 104의 가열에 도움이 되도록 동작한다.
제어부(200)는, 그 설정 시간이 경과하면(S35의 YES일 때), 전원(113)을 정지시켜서 탄화 박층 104'에 있어서의 플라즈마 발생을 정지한다(S36). 제어부(200)는, 적층 기재(112)의 하강 횟수가 한계값에 도달해서 조형 용기(107)가 가득차질 때까지(S37의 NO동안에), 박층 형성(S33), 플라즈마 탄화(S34, S35) 및 플라즈마 발생 정지(S36)를 반복한다. 제어부(200)는, 적층 기재(112)의 하강 횟수가 한계값에 도달하면(S37의 YES일 때), 가스공급을 정지해(S38), 용기(101)안에 외기를 공급한다(S39). 그리고, 제어부는, 탄화된 분체의 제거를 허가한다. 이 허가는, 표시부(202)에 표시되어 있다.
이상 설명한 바와 같이, 제어부(200)는, 박층 형성(S33)과 플라즈마 탄화 처리(S34, S35)를 반복하여 조형 용기(107)안에 탄화 박층 104'를 적층하고, 이렇게 하여 탄화된 원료분체를 준비한다. 제어부(200)는, 레이저 빔ＬＢ로 플라즈마 탄화 처리되는 박층 104를 보조로 가열하여서 상기 원료분체의 탄화 속도를 향상시킨다.
레이저 빔 가열형성 장치
도6은 레이저 빔 가열형성 처리의 흐름도다. 제5 실시예에서는, 탄화분체 제조 장치로서 사용된 도1에 도시된 조형물 제조 장치와는 다른 조형물 제조 장치(100)를, 레이저 빔 가열형성 장치로서 사용한다. 유저는, 박층 형성 기구(105)에 제4 실시예와 같은 미탄화의 원료분체 대신에, 도5에 도시된 플라즈마 탄화 처리ＰＣ에 의해 준비된 상기 탄화된 원료분체를 충전한 상태에서, 조작부(201)를 조작하여서 레이저 빔 가열형성 처리의 시작을 지령한다.
도6에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는, 레이저 빔 가열형성 처리가 지령되면, 배기기구(103)를 작동시켜서 용기(101)를 배기한다(S41). 제어부(200)는, 용기(101)안이 소정의 진공도(1×10-2Ｐａ)에 도달하면, 가스 공급 기구(102)를 작동시켜서 용기(101)에 아르곤 가스와 수소 가스를 공급한다(S42). 제어부(200)는, 용기(101)안이 프로세스 시작 압력에 도달하면, 박층 형성 기구(105)를 작동시켜서 조형 용기(107)에 탄화 박층 104'을 직접 형성한다(S43). 그리고, 제어부(200)는, 전원(113)을 작동시켜서 플라즈마 발생을 시작해(S44), 박층 104에 대해 플라즈마 처리ＰS를 설정 시간이 경과할 때까지 실행한다(S45의 NO 동안에).
제어부(200)는, 그 설정 시간이 경과하면(S45의 YES일 때), 주사 가열기구(106) 및 광원(110)을 작동시켜서, 탄화 박층 104'에 대해 레이저 빔 가열형성 처리를 실행한다(S46). 제어부(200)는, 탄화 박층 104'의 1층분의 레이저 빔 가열형성 처리의 종료 후(S46), 전원(113)을 정지시켜서 플라즈마 발생을 정지시킨다(S47).
제어부(200)는, 층들의 수(적층 횟수)가 조형물(301)을 얻는데 필요한 수에 도달할 때까지(S48의 NO 동안에), 박층 형성(S43), 플라즈마 질화(S44, S45) 및 레이저 빔 가열 형성(S46)을 반복한다. 제어부(200)는, 층들의 수 또는 적층 횟수가 조형물(301)을 얻는데 필요한 수에 도달하면(S48의 YES일 때), 가스공급을 정지해(S49), 용기(101)안에 외기를 공급한다(S50). 그리고, 상기 제어부는, 조형물의 제거를 허가한다. 이 허가는, 표시부(202)에 표시되어 있다.
플라즈마 처리ＰS에서는, 불활성 원소인 아르곤의 이온과, 수소 이온과, 자유 전자를 포함하는 플라즈마에 탄화 박층 104'의 원료분체가 보유된다. 아르곤 이온 및 자유 전자를 사용한 플라즈마 처리는, 소위 스퍼터링 클리닝 효과를 얻는 것을 목적으로 한다. 아르곤 이온의 충돌에 의해, 탄화 박층 104'의 분체 입자의 표면에 부착된 이물질이 그 분체로부터 제거된다. 또한, 자유 전자의 충돌에 의해, 원료분체의 입자 표면이 가열되어서, 이물질이 증발해서 제거된다.
수소 이온을 사용한 플라즈마 처리는, 소위 환원 반응에 의해, 주로 원료분체의 입자 표면으로부터 부동화 피막을 제거하는 것을 목적으로 한다. 이에 따라, 그 입자들은 산화 피막을 제거한 결정 반응성 표면을 갖는다. 따라서, 원료분체의 입자들은, 비교적 낮은 온도에서도 함께 융합될 가능성이 높아서, 격자의 불균일을 갖는 결정을 형성한다.
이상 설명한 바와 같이, 제어부(200)는, 박층 형성과, 플라즈마 처리와, 레이저 빔 가열형성 처리를 반복하는 것에 의해, 탄화 박층 104'의 적층에 의해 규정된 삼차원 조형물(301)을 조형한다.
제6 실시예
상기 제4 실시예에서는 레이저 빔 가열형성 처리에 의해 탄화 박층을 용융해서 고형화했지만, 제6 실시예에서는 전자 빔 가열형성 처리에 의해 탄화 박층을 용융해서 고형화한다. 제6 실시예의 경우, 상기 제3 실시예와 같은 장치 및 방법은 조형물을 제조하는데 사용되어도 된다. 제6 실시예는, 상기 제3 실시예와 같은 도면을 참조하여 설명한다.
조형물 제조 장치
도7은 제6 실시예에서 사용된 조형물 제조 장치의 설명도다. 도7에 도시한 바와 같이, 제6 실시예의 조형물 제조 장치는, 레이저 빔 대신에, 탄화 박층의 가열형성 처리에 전자 빔을 사용하는 것 이외는, 제4 실시예의 조형물 제조 장치와 같이 동일한 구성을 갖고 플라즈마 탄화 처리 및 가열형성 처리의 공정들을 행한다. 따라서, 도7에서, 제4 실시예와 같은 부분들은 도1과 동일한 참조부호로 지정되어서, 그에 대한 설명은 생략된다.
조형물 제조 장치(300)는, 분말베드 용융결합 방식의 소위 3D프린터다. 배기기구(103)는, 용기(101)를 배기한다. 가스 공급 기구(102)는, 용기(101)에 탄소를 포함하는 가스를 공급한다. 상기 제5 실시예와 같이, 조형물 제조 장치(300)를, 원료 분체를 탄화해서 탄화분체를 제조하는 것만의 탄화분체 제조 장치로서 사용할 수도 있다.
전자 빔 가열/용융 기구
전자 빔 히터(306)는, 전자 빔을 주사하여서 이로부터 발생된 전자 빔의 스폿으로 입력 데이터에 따라 고형화되는 각 박층 104의 일부를 가열한다.
전자 빔 제어부(310)에 의해, 전자 빔 히터(306)로부터의 전자 빔의 발생과 전자 빔의 주사를 제어한다.
전자 빔 히터(306)는, 조형 용기(107)의 상면의 박층 104를 전자 빔에 의해 가열하여서, 그 박층을 거의 순간적으로 용융하고 하층의 고체조직과 일체로 고형화시킨다. 이에 따라, 조형 용기(107)의 상면의 탄화 박층 104'의 원하는 고형화 부분을 용융해서 고형화한다. 이때, 도2에 도시한 바와 같이, 저항 히터(137)를 통전하여서 탄화 박층 104'의 온도를 높게 유지하는 것이 바람직하다. 탄화 박층 104'를 가열함으로써, 전자 빔 가열에 의해 탄화 박층을 용융하는 효율이 높아진다. 이에 따라, 저출력 전자 빔으로도 고속 형성이 이루어질 수 있다. 따라서, 그 탄화 박층 104'의 용융된 상태의 변동을 감소할 수 있고, 따라서, 결과적인 조형물(301)의 조직은 균일할 수 있다.
전자 빔 가열형성 처리 동안의 진공도
제6 실시예의 조형물 제조 장치(300)에서, 용기(101)안의 가스분자에 의해 전자 빔이 산란된다. 이에 따라, 전자 빔 가열형성 처리의 공정 동안에, 용기(101)안의 진공도를 10-1Ｐａ이하로 감소한다. 이에 따라, 제6 실시예의 조형물 제조 장치(300)에서는, 탄화 수소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 상기 용기에 공급해서 진공도를 100Ｐａ에 유지해서 플라즈마 에칭 처리를 행하고 나서, 혼합 가스의 공급을 정지한 후 회복된 진공도를 10-1Ｐａ에서 전자 빔 가열형성 처리를 실행한다.
비교 예 2
비교 예 2는 제6 실시예의 조형물 제조 장치를 사용하지만, 플라즈마 탄화 처리를 행하지 않고 원료분체의 각 층에 대해 전자 빔 용융을 실행한다. 그러므로, 비교 예 2는 도7을 참조하여 설명한다. 도7에 도시한 바와 같이, 제6 실시예에서는, 금속재료에 대해 분말베드 용융결합을 행하고 있는 중에, 전자 빔을 조사한 재료와 탄소를 함유하는 반응 가스를 접촉시킨다. 따라서, 금속재료의 층들은, 금속이 탄화되면서 적층된다. 용기(101)의 내부는, 가스 공급 기구(102)와 배기기구(103)를 사용하여서 원하는 진공도 및 원하는 가스 혼합비로 제어된다. 박층 형성 기구(105)는, 용기(101)의 내부에서 원료분체의 박층 104를 형성한다. 전자 빔 히터(306)는, 박층 104에 대하여 전자 빔 가열형성 처리를 실행해서, 이러한 층들의 고형화되는 부분을 용융한다.
비교 예 2에서는, 전자 빔으로 박층 104에 조사함으로써 박층 104의 고형화되는 원료분체를 용융한다. 이때, 전자 빔이 조사되어서 가열 또는 용융된 금속 원료는 용기(101)안의 탄소를 포함하는 반응 가스와 반응한다. 이렇게 하여, 조형물이 탄화된다.
비교 예 2에서는, 금속의 일부를 탄화해서 경화시킬 수 있지만, ＴｉC이나 ＡｌC, SｉC등의 탄화 세라믹만큼 단단한 삼차원 조형물을 제공하지 않는다. 비교 예 2의 프로세스가 단단한 조형물을 제조하지 않는 다음의 2가지 원인이 생각된다. 첫째로, 제6 실시예에서는, 용융 처리중에 전자 빔의 조사 지름은 수 10μm∼수 100μm만큼 작고, 용융을 위한 조사 시간은 각 스폿에 대해 수 10ｍsｅｃ만큼 짧다. 이러한 국소적 및 단시간 조사는, 금속입자를 충분히 탄화하기 위해 현실적이지 않다.
둘째로, 전자 빔의 평균 자유 경로 길이를 확보하기 위해서 용기(101)를 고진공도로 유지할 필요가 있다. 이에 따라, 탄화 처리를 위한 고농도의 가스분자를 포함하는 환경을 용기(101)안에서 생성할 수 없다. 예를 들면, 전자 빔을 적층 기재(112)의 표면 위의 수cm의 이차원 영역에 주사시키는 거리는, 적어도 수 10cm다. 전자 빔이 수 10cm의 거리를 진행할 수 있는 진공도는 1.0×10-5Ｐａ∼1.0×10-2Ｐａ다. 이러한 희박한 가스 분위기에서는, 원료분체의 박층을 탄화 처리 하는데 탄소농도가 부족하다. 이 때문에, 얻어지는 삼차원 조형물의 탄소농도는, 최대 3%(원자수의 면에서)정도다. 이렇게 낮은 탄소농도의 분위기에서 제조된 탄화 금속재료는, 금속보다 높은 경도를 나타내지만, 탄화 세라믹보다는 훨씬 낮다.
제4 실시예에서는, 0.1정도의 기압에서 고농도의 탄소를 포함하는 분위기에서 적어도 수분간 플라즈마 탄화를 행할 수 있어, 비교 예 2의 기술적인 문제점을 해소함에 따라서, 단단한 조형물(301)을 제공한다.
그 밖의 실시예
본 발명의 탄화 분체 제조 방법, 조형물 제조 방법, 탄화 분체 제조 장치, 및 조형물 제조 장치는, 제4 실시예 내지 제6 실시예에서 개시된 구성요소나 부재들을 포함한 것들 또는 상기 개시된 실시예에서 수치 조건 및 제어하에 행해진 것들에 한정되지 않는다. 제4 실시예 내지 제6 실시예 중 어느 하나의 구성요소들이나 부재들의 하나 이상 또는 전부를 동등한 부재나 동등한 부재들로 대체하여서 다른 실시예가 실현되어도 된다.
예 4, 5, 6에서 사용된 전압 및 압력은, 조형 용기(107)의 크기, 원료분체의 크기, 박층 104의 두께등의 파라미터에 따라 조정될 수 있다. 예를 들면, 예 4, 5, 6에 있어서는, 박층 104에 교류 전압만을 인가했지만, 부극성의 직류 전압을 교류 전압에 중첩하여, 정극성 이온의 충돌 속도를 높임으로써, 박층 104에 대한 가열 성능을 향상시켜도 좋다. 용기(101)안의 분위기에 탄소원자를 공급하기 위한 물질은, 메탄이외의 탄화수소, 가스형 유기 화합물, 일산화탄소 또는 이산화탄소이여도 좋다.
제4 실시예에서는, 박층 104에 전압을 인가해서 플라즈마를 발생시키는 동안, 수소 가스와 이산화탄소 가스의 혼합 가스를 일정한 혼합 비율로 계속해서 공급했다. 그러나, 플라즈마 발생의 초기 단계에서는, 수소 가스만, 혹은 수소 가스와 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 공급해서 원료분체의 플라즈마 처리를 행해도 좋다.
제4 실시예에서는, 저항 히터(137)에 의해 플라즈마 탄화 처리중의 층을 가열하였다. 그러나, 이러한 플라즈마 탄화 처리중의 가열은, 항상 히터를 사용하여서 행해지지 않는다. 탄화수소 가스, 수소 가스 및 아르곤 가스의 혼합 가스를 공급하고, 박층 104에 인가된 교류 전압에 중첩된 부극성의 바이어스 전압을 향상시키는 것에 의해, 소위 스퍼터링 가열을 행해도 좋다.
제5 실시예에서는, 조형실(109)이 탄화 박층 104'로 가득찰 때마다 용기(101)가 대기압으로 되돌아가는 소위 배치(ｂａｔｃｈ)식의 탄화 분체 제조 장치를 설명했다. 그러나, 다른 실시예에서, 탄화 분체 제조 장치는, 플라즈마 탄화 처리의 처리실에 감압실과 벤트실을 접속한 인라인 구성을 가져도 된다. 대기에 원료 분체를 감압실에 놓고, 그 감압실을 배기한다. 그리고, 원료 분체를 상기 처리실내에 이동시킨다. 이렇게 탄화된 원료분체를, 처리실로부터 벤트실에 이동시켜서 처리실로부터 차단한다. 처리실에 대기를 도입한 후에, 탄화된 원료분체는 대기에 제거된다.
또한, 제5 실시예에서는, 1개의 용기(101)안에 1개의 조형 용기(107)를 배치하는 조형물 제조 장치를 설명했다. 그러나, 조형물 제조 장치는, 1개의 용기(101)안에 플라즈마 탄화 처리용의 복수의 조형 용기(107)와 레이저 빔 가열형성 처리용의 1개의 조형 용기(107)를 가져도 된다.
본 발명을 실시예들을 참조하여 기재하였지만, 본 발명은 상기 개시된 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형예, 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 폭 넓게 해석해야 한다.

Claims (30)

  1. 원료분체의 층을 형성하는 공정; 및
    질소를 함유하는 분위기에서 상기 층의 원료분체를 질화하는 작업과 탄소를 함유하는 분위기에서 상기 층의 원료분체를 탄화하는 작업 중 하나를 행하는 공정을 포함하는, 분체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 작업 중 하나는, 상기 층의 원료분체의 표면의 피막을 제거하면서, 혹은 제거한 후, 행하여지는, 분체의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 피막은, 산화막이며, 수소를 함유하는 분위기에서 환원 반응에 의해 제거되는, 분체의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 피막은, 수소와 불활성 원소 중 적어도 하나를 함유하는 분위기에서 상기 층에 전압을 인가해서 플라즈마를 발생시키는 것에 의해 제거되는, 분체의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층은 감압 가능한 용기내에 형성되고, 상기 작업 중 하나는 상기 용기내에서 생성된 대기압미만의 압력을 갖는 분위기에서 행해지는, 분체의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 용기내의 상기 분위기는, 1Ｐａ이상 20ｋＰａ미만 범위의 압력을 갖는, 분체의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 용기를 제1의 압력으로 감압한 후에 상기 용기에 질소와 탄소 중 하나를 함유하는 물질을 공급해서 상기 용기내의 분위기를 생성하는 공정을 더 포함하고, 상기 분위기는 상기 제1의 압력보다도 높은 대기압미만의 제2의 압력을 갖는, 분체의 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 용기내에 배치되고 상기 용기로부터 전기적으로 절연된 분체 용기에 상기 층을 형성하고 나서, 상기 층에 대해 상기 작업 중 하나를 실행하는, 분체의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 층을, 상기 형성 공정과 상기 작업 중 하나를 작동시키는 공정을 통해, 상기 분체용기의 바닥 위에 형성된 상기 원료의 층 위에 형성하는, 분체의 제조 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업 중 하나는, 히터, 에너지 빔 및 불활성 가스의 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 상기 층을 가열하는 상태에서 실행되는, 분체의 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료분체는, 물 분사법에 의해 제조된 금속입자를 포함하는, 분체의 제조 방법.
  12. 원료분체의 층을 형성하는 공정;
    질소를 함유하는 분위기에서 상기 층의 원료분체를 질화하는 작업과 탄소를 함유하는 분위기에서 상기 층의 원료분체를 탄화하는 작업 중 하나를 행하는 공정; 및
    상기 작업 중 하나가 행해진 상기 층을, 상기 층에 에너지 빔을 조사해서 고형화하는 공정을 포함하는, 조형물의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 작업 중 하나는, 상기 층의 상기 원료분체의 표면 위의 피막을 제거하면서, 혹은 제거한 후, 행하여지는, 조형물의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 피막은, 산화막이며, 수소를 함유하는 분위기에서 환원 반응에 의해 제거되는, 조형물의 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 피막은, 수소와 불활성원소 중 적어도 하나를 함유하는 분위기에서 상기 층에 전압을 인가해서 플라즈마를 발생시키는 것에 의해 제거되는, 조형물의 제조 방법.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고형화하는 공정은, 질소와 감소된 산소를 함유하는 분위기에서, 상기 질화하는 작업이 행해진 상기 층에 관해, 전압을 상기 질화된 층에 인가해서 플라즈마를 발생시키면서 행해지는, 조형물의 제조 방법.
  17. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고형화하는 공정은, 탄소와 감소된 산소를 함유하는 분위기에서, 상기 탄화하는 작업이 행해진 상기 층에 관해, 전압을 상기 탄화된 층에 인가해서 플라즈마를 발생시키면서 행해지는, 조형물의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 질소를 함유하는 분위기는 수소를 포함하는, 조형물의 제조 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 탄소를 함유하는 분위기는 수소를 포함하는, 조형물의 제조 방법.
  20. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 빔은 레이저 빔인, 조형물의 제조 방법.
  21. 용기;
    상기 용기내에 원료분체의 층을 형성 가능한 형성 디바이스;
    질소와 탄소 중 하나를 함유하는 물질을 상기 용기에 공급 가능한 공급기; 및
    상기 형성 디바이스에 의해 형성된 상기 층에 전압을 인가 가능한 전원 디바이스를 구비하는, 분체 제조 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 공급기는, 수소를 함유하는 물질을 상기 용기에 공급하는, 분체 제조 장치.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 용기내의 압력을 감소 가능한 감압 디바이스를 더 구비하는, 분체 제조 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 용기내의 압력을 계측 가능한 계측 디바이스를 더 구비하는, 분체 제조 장치.
  25. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 용기내에 배치된 분체용기를 더 구비하고, 상기 분체용기는 상기 용기로부터 전기적으로 절연되어 있는, 분체 제조 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 분체용기는 상기 층에 접촉하는 면을 갖고, 이 면은 절연 재료로 구성된, 분체 제조 장치.
  27. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 분체용기에 히터를 더 구비하는, 분체 제조 장치.
  28. 용기;
    상기 용기내에 원료분체의 층을 형성 가능한 형성 디바이스;
    질소와 탄소 중 하나를 함유하는 물질을 상기 용기에 공급 가능한 공급기;
    상기 형성 디바이스에 의해 형성된 상기 층에 전압을 인가 가능한 전원 디바이스; 및
    상기 층에 에너지 빔을 조사 가능한 빔 조사기를 구비하는, 조형물 제조 장치.
  29. 청구항 28에 기재된 것과 같은 조형물 제조 장치에 의해 조형된 조형물로서, 상기 조형물은, 결정 성장하여서 형성된 조직을 갖고, 원자수의 면에서 10%이상의 질소를 포함하는, 조형물.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 조형물의 내부가 균일하게 질화되어 있는, 조형물.
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