KR20170071370A - 3d 프린팅용 금속분말 조성물 및 이를 이용한 3차원 형상의 소재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린팅(3-dimension printing) 기술을 통해 3차원 형상의 소재를 제조할 수 있는 3D 프린팅용 금속분말 조성물 및 이를 이용하여 3차원의 형상을 갖는 소재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

3D 프린팅용 금속분말 조성물 및 이를 이용한 3차원 형상의 소재의 제조방법 {METAL POWDER COMPOSITIONS FOR THREE-DIMENSIONAL PRINTING AND METHOD FOR MANUFACTURING THE MATERIAL HAVING THREE-DIMENSIONAL SHAPE USING THE SAME}

본 발명은 3D 프린팅(3-dimension printing) 기술을 통해 3차원 형상의 입체물(소재)을 제조할 수 있는 3D 프린팅용 금속분말 조성물 및 이를 이용하여 3차원의 형상을 갖는 입체물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

3D 프린팅(3D printing) 기술은 3차원의 입체물을 제조할 수 있는 기술로서, 다양한 적층 방법을 통해 3차원의 입체물을 제조하는 방법이다.

이와 같은 3D 프린팅 기술은 기존의 재료를 절삭, 조립 등을 통해 제품을 생산하는 공정에 비해 제조비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있으며, 다양한 산업분야에 널리 적용할 수 있는 장점이 있다.

최근에는 3D 프린팅 기술을 활용하여 금속 부품 등의 소재를 제조하는 연구가 급속히 증가하고 있으며, 특히 여러 가공 등이 요구되는 정밀 부품 등에 적용하고자 하는 시도가 증가하고 있다.

상기 3D 프린팅 기술을 활용한 금속 부품의 제조는 금속 분말(powder)을 용융한 후 즉시 응고시키는 공정을 통해 제조되는데, 보다 구체적으로 직접 분말을 도포하면서 용융 및 적층하는 DED(Direct Energy Deposition) 기술, 분말을 컨테이너 내부에서 일정한 높이로 적층하면서 레이저(laser)로 국부용융, 응고시키는 SLS(Selective Laser Sintering) 기술 등으로 나뉜다.

이러한 3D 프린팅으로부터 3차원 형상의 소재를 제조하는 경우, 용융 및 적층시 Z축 방향으로 응고가 진행되는데, 이때 적층면의 이방성으로 인해 X-Y축 방향과 Z축 방향과의 기계적 물성에 차이가 발생한다.

이는, 금속 분말이 용융 및 적층되어 응고함에 있어서 급냉으로 인해 Z축 방향으로 주로 응고됨에 기인한다.

이를 해결하기 위하여, 종래에는 최종 제조된 3D 형상의 소재에 열처리를 가함으로써 재결정화하는 방법 등이 사용되고 있으나, 이는 3D 프린팅 이외에 추가적인 공정이 요구되는 것으로서 제조원가가 상승할 뿐만 아니라, 생산성이 저하되는 문제가 있다 (특허문헌 1).

이에 따라, 추가적인 공정 없이 응고상태에서 이방성을 해소할 수 있는 방안의 개발이 요구되는 실정이다.

한국 공개특허공보 제10-2014-0025282호

본 발명의 일 측면은, 금속 분말을 이용하여 3D 프링팅시 X-Y축 방향과 Z축 방향과의 이방성을 해소할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 3차원 형상을 제조하기 위한 금속분말 조성물로서, 상기 금속분말의 표면이 보론(B) 및 실리콘(Si) 중 1종 이상의 금속으로 코팅된 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 금속분말 조성물을 제공한다.

본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 3D 프린팅용 금속분말 조성물을 준비하는 단계; 상기 금속분말 조성물을 연속적으로 용융 및 적층하는 단계; 및 상기 용융 및 적층된 금속분말을 급냉하여 응고시키는 단계를 포함하는 것인, 3차원 형상의 소재의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 의하면, 기존 3D 프린팅을 이용하여 3차원 형상의 소재를 제조하는 경우, 적층면의 이방성으로 인해 X-Y축 방향과 Z축 방향과의 기계적 물성에 차이가 발생하는 문제점을 근본적으로 해결할 수 있다.

또한, 열처리와 같은 추가 공정을 행하지 않으므로, 제조공정을 단축할 수 있으면서, 제조원가를 절감하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 코팅된 금속분말을 이용하여 3D 프린팅하는 경우, 결정립이 미세화되는 원리를 도시화한 것이다.
여기서, 상단 도면은 본 발명에 따라 코팅되지 않은 금속분말의 3D 프린팅시 형성되는 결정립을 모식화한 것이며, 하단 도면은 본 발명에 따라 코팅된 금속분말의 3D 프린팅시 미세하게 형성되는 결정립을 모시화한 것이다.

본 발명자들은 3D 프린팅 공정 특히, 용융 및 적층의 공정을 통해 3차원 형상의 소재를 제조하는 경우, 적층면의 이방성으로 인하여 X-Y축 방향과 Z축 방향과의 기계적 물성에 차이가 발생하는 문제를 근본적으로 해결하기 위하여 깊이 연구하였다.

그 결과, 상기 2차원 형상의 소재를 제조하기 위한 원료 즉, 금속분말을 특정 금속물질로 코팅한 후 이를 용융 및 적층하는 경우, 응고상태에서 이방성을 해소할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면은 3차원 형상을 제조하기 위한 금속분말 조성물로서, 상기 금속분말의 표면이 보론(B) 및 실리콘(Si) 중 1종 이상의 금속으로 코팅되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 보론 또는 실리콘으로 3D 프린팅을 위한 금속분말을 코팅하는 것은, 본 발명에서 목표로 하는 3차원 형상을 갖는 소재에서의 이방성을 해소하기 위한 것이다.

보다 구체적으로, 상기 보론과 실리콘은 금속분말의 용융, 응고시 핵생성 사이트(site)로 작용할 수 있는 원소들로서, 이들에 의해 응고되는 금속분말의 결정립이 미세화되는 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 결정립이 미세화됨으로써 최종적으로 적층 및 응고가 완료된 3차원 형상 소재는 이방성이 해소되어 X-Y축 방향 및 Z축 방향 간의 기계적 물성을 균일하게 얻을 수 있게 된다 (도 1의 하단 참조).

일 예로, SLS 방식의 금속 3D 프린팅시 조사된 레이저는 적층된 금속분말층을 용융시키고, 상기 금속분말에 코팅된 보론(B) 또는 실리콘(Si)은 용융층 내에서 교반되어 분포될 수 있다. 상기 조사되는 레이저의 열원이 이동함에 따라 용융층 내부에서 응고가 발생하게 되는데, 응고가 시작되는 지점은 주로 열이 빠져나가는 용융층과 고상층의 계면지점이 된다. 또한, 용융층 내부의 B 또는 Si이 존재하는 성분 주변의 핵생성 에너지가 낮아져 우선적인 응고지점이 된다. 이후, 최종적으로 B 또는 Si 주위에서 결정립을 형성하여 매우 미세한 미세조직을 형성하게 되며, 이로 인해 Z축 방향에 대한 이방성이 해소되는 것이다.

또한, DED 방식의 금속 3D 프린팅시 조사된 레이저가 벌크의 고상층을 용융시키게 되고, 용융층으로 분사되는 금속분말들이 용융됨으로써 적층부를 형성하게 된다. 이후의 용융 및 응고 과정은 상술한 SLS 방식의 공정과 동일하며, 이 경우에도 B 또는 Si을 주변으로 한 미세 결정립이 형성되어 Z축 방향에 대한 이방성을 해소할 수 있다.

상기 3D 프린팅용 금속분말을 코팅하기 위한 보론과 실리콘 각각 또는 이들 함량 합이 0.1~0.5중량%인 것이 바람직하다. 이는, 본 발명에서 제공하는 금속분말 조성물 전체 중량 대비 함량을 의미한다.

상기 각각 또는 그 합의 함량이 0.1중량% 미만이면 상술한 결정립 미세화 효과를 충분히 확보할 수 없어, 최종 3차원 형상 소재의 축 방향별 이방성의 해소가 어려워지는 문제가 있다. 반면, 0.5중량%를 초과하게 되면, 기계적 물성이 취화됨으로써 연신율이 낮아져 의도하는 물성을 갖는 3차원 형상 소재의 제조가 곤란해지는 문제가 있다.

상기 3D 프린팅용 금속분말을 보론 또는 실리콘으로 코팅하는 방법은 특별히 한정하지 아니하나, 금속분말 전체를 고르게 코팅할 수 있는 방법이라면 어떠한 방법이라도 무방하다.

일 예로, 습식 또는 건식 코팅 방법을 이용할 수 있으며, 이를 이용하여 코팅시 금속분말 표면특성에는 영향을 미치지 않는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 최초 금속분말의 형상이 구상인 경우, 상술한 보론 또는 실리콘으로의 코팅 이후에도 동일한 형상 즉, 구상을 유지하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 3차원 형상 소재를 제조하기 위한 3D 프린팅용 금속분말은 제조하고자 하는 소재의 종류, 합금성분, 물성 등에 따라 다르게 적용할 수 있으며, 일 예로 Fe계, Ni계, Ti계 및 Al계로 구성되는 그룹 중에서 선택된 하나의 금속분말 또는 그 이상이 혼합된 금속분말을 사용할 수 있다.

이러한 금속분말을 이용하여 3차원 형상의 소재를 제조하는 경우 고밀도로 균일하게 적층되어 용융 및 응고되므로, 균일한 입도분포를 갖는 것이 바람직하다. 이때, 입도분포는 미세할수록 견고한 소재의 제조가 가능하다. 또한, 그 형상은 구형(spherical) 또는 비구형(aspherical)일 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 3차원 형상의 소재를 제조하기 위한 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 얻고자 하는 3차원 형상의 소재는 본 발명에서 제공하는 3D 프린팅용 금속분말 조성물을 3D 프린팅하여 제조할 수 있다.

바람직하게, 본 발명의 3D 프린팅용 금속분말 조성물 즉, 상기 금속분말의 표면이 보론 및 실리콘 중 1종 이상으로 코팅된 조성물을 준비하는 단계; 상기 조성물을 연속적으로 용융 및 적층하는 단계; 및 상기 용융 및 적층된 금속분말을 급냉하여 응고시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 조성물을 의도하는 높이로 적층하면서 국부적으로 용융 및 응고시키는 방법도 가능하다.

전술한 방법의 일 예로는 DED(Direct Energy Deposition) 방법을 이용할 수 있으며, 후술하는 방법을 일 예로는 SLS(Selective Laser Sintering) 방법을 이용할 수 있다.

상기 DED 또는 SLS 방법을 이용하는 경우, 상기 금속분말의 용융 소스(source)로서 레이저(laser)를 이용할 수 있다.

상기 본 발명에서 제공하는 3D 프린팅용 금속분말 조성물을 이용하여 3차원 형상의 소재를 제조하고자 하는 경우, 축 방향별 이방성을 효과적으로 해소할 수 있으므로, 별도의 추가 공정 없이 균일한 물성을 갖는 소재를 제공할 수 있는 것이다.

Claims (5)

1. 3차원 형상을 제조하기 위한 금속분말 조성물로서,
   상기 금속분말의 표면이 보론(B) 및 실리콘(Si) 중 1종 이상의 금속으로 코팅된 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 금속분말 조성물.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 보론(B)과 실리콘(Si)은 각각 또는 혼합하여 0.1~0.5중량%의 함량으로 상기 금속분말을 코팅하는 것인 3D 프린팅용 금속분말 조성물.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 금속분말은 Fe계, Ni계, Ti계 및 Al계로 구성되는 그룹에서 선택된 하나의 금속분말 또는 2종 이상의 혼합 금속분말인 3D 프린팅용 금속분말 조성물.
   
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 3D 프린팅용 금속분말 조성물을 준비하는 단계; 상기 금속분말 조성물을 연속적으로 용융 및 적층하는 단계; 및 상기 용융 및 적층된 금속분말을 급냉하여 응고시키는 단계를 포함하는 것인, 3차원 형상의 소재의 제조방법.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 금속분말 조성물을 연속적으로 용융 및 적층하는 단계는 DED(Direct Energy Deposition) 방법 또는 SLS(Selective Laser Sintering) 방법을 이용하는 것인, 3차원 형상의 소재의 제조방법.
   
   

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