KR20180003141A - Metal powder 3d printer using plasma treatment - Google Patents

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경북대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a metal powder three dimensional printing apparatus using plasma treatment. The metal powder three dimensional printing apparatus uses metal powder as a raw material, forms a three dimensional shape by irradiating the metal powder with a laser, and includes a plasma treating device for plasma treating the metal powder prior to irradiation through the laser. Thus, the metal powder used as the raw material can be plasma-treated with the plasma treating device before laser irradiation to clean, reduce, or spheronize the raw metal powder. As a result, the present invention is able to prevent the cost and the time according to a post-process after completion of a product in advance, and consequently to improve the quality of the product to be produced.

Description

플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치{METAL POWDER 3D PRINTER USING PLASMA TREATMENT}Technical Field [0001] The present invention relates to a metal powder 3D printing apparatus using plasma processing,

본 발명은 금속분말을 원재료로 이용하는 3D 프린팅 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원재료인 금속분말을 플라즈마 처리하는 3D 프린팅 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a 3D printing apparatus using a metal powder as a raw material, and more particularly, to a 3D printing apparatus for plasma processing a metal powder as a raw material.

3D 프린팅이란, 특정 제품을 입체로 만들어 낼 수 있는 프린팅 기술로서, 입체적으로 만들어진 설계도를 이용하여 종이에 인쇄하듯 3차원 공간 안에 실제 제품을 만들어 낼 수 있는 방법 또는 장치를 말한다.3D printing is a printing technique that can produce a specific product in three dimensions. It refers to a method or device that can produce an actual product in a three-dimensional space, such as printing on paper using a three-dimensional design.

개발 초기에는 플라스틱 소재에 국한됐지만 현재는 수백만 원대의 보급형 제품이 나오고 부피도 줄어들면서 일반에 확산되는 추세로 제품을 만들어 내는 재료가 나일론과 금속 등으로 범위가 확산되고 있다.In the early stage of development, it was confined to plastic materials, but now it is spreading to the nylon and metal materials that make products with the tendency to spread to the general public with the popularized products of millions of won and the reduced volume.

또한, 3D 프린팅 기술 중, SLA(Stereolithography), SLS(Selective Laser Sintering) 기술들은 레이저를 이용하여 파우더 형태의 재료를 녹여 제작하게 되며, 이때 사용되는 레이저는 집광된 선형 빔이다. Among 3D printing technologies, SLA (Stereolithography) and SLS (Selective Laser Sintering) technologies are made by melting powdered material using laser, and the laser used is a condensed linear beam.

한편, 클래딩(cladding)이란 강의 양면 또는 한 면에 다른 금속을 접합하는 용접을 통칭하는 것으로 합재라고도 하며, 일반적으로 부식되거나 파손된 가공물을 보수하는 용접기술을 의미하기도 한다. 또한, 클래딩은 두 개의 모재를 레이저로 가열하여 접합하는 기술로써 두 모재를 쉽게 접합할 수는 있으나 파손이나 부식 부위만을 복원하는 데는 어려움이 있다.On the other hand, the term "cladding" refers to a welding technique commonly referred to as welding two or more sides of a steel to which other metals are bonded, and generally refers to a welding technique for repairing corroded or broken workpieces. In addition, cladding is a technique of bonding two base metals by laser welding, which makes it easy to bond two base metals, but it is difficult to restore only the damaged or corroded parts.

특히, 레이저 직접 금속 조형기술(laser-aided direct metal manufacturing)은 기능성 소재(금속, 합금 또는 세라믹 등)를 사용하여 컴퓨터에 저장된 3차원 디지털 형상정보(digital data of 3D subjects)에 따라 정밀하게 레이저로 직접 용착시키는 레이저 클래딩(laser cladding) 기술을 이용하여 3차원 형태의 제품 또는 제품 생산에 필요한 툴(tools)을 매우 빠른 시간 내에 제작할 수 있는 장점이 있다. 여기서, 3차원 형상정보는 3차원 CAD 데이터, 의료용 CT(Computer Tomography; 컴퓨터 단층 촬영) 및 MRI(Magnetic Resonance Imaging; 자기 공명 영상법) 데이터, 3차원 스캐너(3D Object Digitizing System)로 측정된 디지털 데이터 등을 말한다. 또한, 툴은 다이(Die)나 몰드(Molds) 등의 제품 생산에 필요한 양산 금형을 말한다.Particularly, laser-aided direct metal manufacturing is a technique in which a laser is precisely aligned according to three-dimensional digital data of 3D objects stored in a computer using a functional material (metal, alloy or ceramic) There is an advantage in that it is possible to produce tools in the form of a three-dimensional product or a product in a very short time by using a laser cladding technique which directly fuses the glass. Here, the three-dimensional shape information includes three-dimensional CAD data, medical CT (Computer Tomography) and MRI (Magnetic Resonance Imaging) data, digital data measured with a 3D object digitizing system . In addition, a tool refers to a mass production mold required for producing a product such as a die or a mold.

이러한 기술은 CNC(Computerized Numerical Control; 컴퓨터 수치제어) 및 기타 가공 기계를 이용한 절삭과 주조 등의 기존 가공 방식과는 비교할 수 없는 빠른 시간 내에 금속 시작품, 양산 금형, 복잡한 형상의 최종 제품 및 각종 툴을 제작할 수 있고, 역공학(Reverse Engineering)을 이용한 금형의 회복(Restoration), 리모델링(Remodeling) 및 수정(Repairing)에도 적용 가능한 장점이 있어 많이 활용되고 있다.These technologies can be used to produce metal prototypes, mass production molds, complex final products and tools in a short period of time comparable to conventional machining methods such as cutting and casting using CNC (Computerized Numerical Control) And can be applied to the restoration, remodeling and repairing of molds by using reverse engineering.

그러나, 레이저 직접 금속 조형기술을 이용하여 금속 분말을 3D 프린팅할 경우, 주로 대기압 상태에서 적층 공정이 이루어지므로 공급되는 금속분말이 산화될 수 있고, 이는 제조되는 제품에 결함으로 이어지게 된다.However, when the metal powder is 3D-printed using the laser direct metal forming technology, the metal powder to be supplied may be oxidized because the laminating process is performed mainly at atmospheric pressure, resulting in defects in the manufactured product.

한국공개특허 10-2016-0003521(2016.01.11 공개)Korean Patent Laid-Open No. 10-2016-0003521 (published on Jan. 11, 2016) 한국등록특허 1606629(2016.03.21 등록)Korean Registered Patent 1606629 (Registered on March 23, 2016)

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 금속분말을 이용하여 3차원 형상을 조형하는 3D 프린팅 장치에 있어서, 상기 금속분말에 레이저가 조사되기 이전에 금속분말을 플라즈마 처리함으로써, 제조되는 제품의 품질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a 3D printing apparatus for forming a three-dimensional shape by using metal powder, And to improve the quality of a manufactured product.

본 발명의 다른 목적은, 금속분말을 이용하여 3차원 형상을 조형하는 3D 프린팅 장치에 있어서, 원재료로 사용되는 금속분말을 플라즈마 처리하여, 상기 금속분말을 세정할 수 있도록 하기 위한 것이다.It is another object of the present invention to provide a 3D printing apparatus for forming a three-dimensional shape using metal powder, in which a metal powder used as a raw material is subjected to a plasma treatment so that the metal powder can be cleaned.

본 발명의 또 다른 목적은 금속분말을 이용하여 3차원 형상을 조형하는 3D 프린팅 장치에 있어서, 원재료로 사용되는 금속분말을 플라즈마 처리하여, 금속분말을 환원처리 할 수 있도록 하기 위한 것이다.It is still another object of the present invention to provide a 3D printing apparatus for forming a three-dimensional shape using metal powder, in which a metal powder used as a raw material is subjected to a plasma treatment to reduce the metal powder.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속분말을 원재료로 하여, 상기 금속분말에 레이저를 조사하여 3차원 형상을 조형하는 금속분말 3D 프린팅 장치에 있어서, 상기 레이저를 통한 조사 이전에 상기 금속분말을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리기를 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a metal powder 3D printing apparatus for forming a three-dimensional shape by using a metal powder as a raw material and irradiating the metal powder with a laser, wherein the metal powder The plasma processing apparatus may include a plasma processor for plasma processing the plasma.

바람직하게, 상기 금속분말 3D 프린팅 장치는, 상기 3차원 형상의 제품이 형성되는 베드와, 상기 베드 상에 상기 금속분말을 공급하며 상기 레이저를 조사하는 레이저 헤드와, 상기 레이저 헤드로 상기 금속분말을 공급하는 분말 공급부와, 상기 레이저 헤드로 실드 가스를 공급하는 실드 가스 공급부를 포함하고, 상기 플라즈마 처리기는 상기 금속분말이 상기 베드로 공급되는 경로 상에 설치될 수 있다.Preferably, the metal powder 3D printing apparatus includes a bed on which the three-dimensional product is formed, a laser head for supplying the metal powder onto the bed and irradiating the laser, And a shield gas supply unit for supplying a shield gas to the laser head, wherein the plasma processor is installed on a path through which the metal powder is supplied to the bed.

바람직하게, 상기 금속분말 3D 프린팅 장치는, 상기 금속분말이 적층되는 파우더 베드와, 상기 파우더 베드에 상기 금속분말을 적층하는 도포기와, 상기 금속분말을 상기 도포기로 공급하는 분말 공급부와, 상기 레이저를 생성하여 공급하는 레이저 발생부와, 상기 레이저 발생부에서 공급되는 상기 레이저를 상기 파우더 베드 상에 선택적으로 조사하는 스캐너부를 포함하고, 상기 플라즈마 처리기는 상기 금속분말이 상기 파우더 베드로 공급되는 경로 상에 설치될 수 있다.Preferably, the metal powder 3D printing apparatus includes a powder bed in which the metal powder is laminated, an applicator for laminating the metal powder to the powder bed, a powder supply unit for supplying the metal powder to the applicator, And a scanner unit for selectively irradiating the laser beam supplied from the laser generating unit onto the powder bed, wherein the plasma processor is installed on the path through which the metal powder is supplied to the powder bed .

바람직하게, 상기 플라즈마 처리기는 플라즈마 가스로 아르곤과 산소를 사용할 수 있다. 또한, 플라즈마 가스로 헬륨과, 아르곤-수소를 사용할 수 있다.Preferably, the plasma processor can use argon and oxygen as the plasma gas. Further, helium and argon-hydrogen may be used as the plasma gas.

바람직하게, 상기 플라즈마 처리기는 복수 개 구비될 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 처리기는, 플라즈마 가스로 아르곤과 산소를 포함하는 제1 플라즈마 처리기와, 플라즈마 가스로 헬륨과 아르곤-수소를 포함하는 제2 플라즈마 처리기를 포함할 수 있다.Preferably, a plurality of the plasma processors are provided. In addition, the plasma processor may include a first plasma processor including argon and oxygen as a plasma gas, and a second plasma processor including helium and argon-hydrogen as a plasma gas.

바람직하게, 상기 플라즈마 처리기는 글로우 방전 영역을 이용할 수 있다.Preferably, the plasma processor can use a glow discharge region.

바람직하게, 상기 플라즈마 처리기는, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 헤드와, 상기 플라즈마 헤드로 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부를 포함하고, 상기 플라즈마 헤드는 노즐 형태를 갖는 특징으로 한다. 가령, 상기 플라즈마 헤드는, 한 쌍의 전극을 포함하되, 제1전극은 중심부에 막대 형상으로 배치되고, 제2전극은 상기 제1전극을 둘러싸는 원통 형상으로 배치되어, 상기 제1전극과 상기 제2전극의 사이에 방전 공간을 형성하고, 상기 제1전극은 상기 제2전극보다 길게 형성되어, 상기 제2전극의 외부로 돌출되어 상기 금속분말 측으로 노출되도록 할 수 있다.Preferably, the plasma processor includes a plasma head for generating a plasma, and a plasma gas supply unit for supplying a plasma gas to the plasma head, wherein the plasma head has a nozzle shape. For example, the plasma head may include a pair of electrodes, the first electrode may be arranged in a bar shape at the central portion, and the second electrode may be arranged in a cylindrical shape surrounding the first electrode, The first electrode may be formed to be longer than the second electrode and protrude to the outside of the second electrode to be exposed toward the metal powder.

바람직하게, 상기 플라즈마 처리기는, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 헤드와, 상기 플라즈마 헤드로 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부를 포함하고, 상기 플라즈마 헤드는 슬릿 형태를 갖는 특징으로 한다. 가령, 상기 플라즈마 헤드는, 한 쌍의 전극을 포함하되, 제1전극은 지면 방향으로 길이를 가지는 평판 형태로 형성하고, 제2전극은 상기 제1전극과 대칭적으로 지면 방향으로 길이를 가지는 평판 형태로 형성하여, 상기 제1전극과 상기 제2전극의 사이에 방전 공간을 형성할 수 있다.Preferably, the plasma processor includes a plasma head for generating a plasma, and a plasma gas supply unit for supplying a plasma gas to the plasma head, wherein the plasma head has a slit shape. For example, the plasma head may include a pair of electrodes, wherein the first electrode is formed in the form of a flat plate having a length in the paper surface direction, and the second electrode is formed in a flat plate shape having a length in the paper- And a discharge space may be formed between the first electrode and the second electrode.

본 발명에 따른 3D 프린팅 장치는 원재료로 사용되는 금속분말을 레이저를 통한 조사 이전에 플라즈마 처리기로 플라즈마 처리함으로써, 원재료 금속분말을 세정, 환원 또는 구형화할 수 있는 효과를 가져온다. In the 3D printing apparatus according to the present invention, the metal powder used as a raw material is subjected to a plasma treatment with a plasma processor before laser irradiation, thereby bringing about the effect of cleaning, reducing or spheroidizing the raw metal powder.

이를 통해, 본 발명의 3D 프린팅 장치는 원재료로 사용되는 금속분말이 플라즈마 처리된 후, 레이저에 의하여 용융/융착되도록 함으로써, 제품 완성 후의 후공정에 따른 비용 및 시간을 미연에 방지할 수 있고, 결과적으로 제조되는 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 가져온다.Thus, the 3D printing apparatus of the present invention can prevent the cost and time of the post-process after completion of the product by preventing the metal powder used as the raw material from being plasma-treated and then melted / fused by the laser, It is possible to improve the quality of the product manufactured by the method.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치(100)를 개략적으로 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치(200)를 개략적으로 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치에 적용되는 플라즈마 처리기의 플라즈마 헤드(300)를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
FIG. 1 is a schematic view showing a metal powder 3D printing apparatus 100 using a plasma process according to a first embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a schematic view of a metal powder 3D printing apparatus 200 using a plasma process according to a second embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a schematic view showing a plasma head 300 of a plasma processor applied to a 3D printing apparatus according to the present invention.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or preliminary meaning and the inventor shall properly define the concept of the term in order to describe its invention in the best possible way It should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. It should be noted that the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention, It should be understood that various equivalents and modifications are possible.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치를 자세히 설명한다.Hereinafter, a metal powder 3D printing apparatus using a plasma process according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치(100)를 개략적으로 나타낸 구성도이다.FIG. 1 is a schematic view of a metal powder 3D printing apparatus 100 using a plasma process according to a first embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(100)는, 제품이 형성되는 베드(110)와, 상기 베드(110) 상에 금속분말을 공급하며 레이저를 조사하는 레이저 헤드(120)와, 상기 레이저 헤드(120)로 금속분말을 공급하는 분말 공급부(130)와, 상기 레이저 헤드(120)로 실드 가스를 공급하는 실드 가스 공급부(140)와, 상기 베드(110)로 공급되는 금속분말을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리기(150)를 포함한다. 또한, 플라즈마 처리기(150)는, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 헤드(152)와, 상기 플라즈마 헤드(152)로 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부(154)를 포함한다. 여기서, 3D 프린팅 소재로서 금속 분말을 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 금속 합금 형태는 상기 금속 분말에 당연히 포함된다 할 것이며 그 외 세라믹 등 기능성 소재도 포함될 수 있다.As shown in FIG. 1, the 3D printing apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention includes a bed 110 on which a product is formed, A shielding gas supply unit 140 for supplying a shield gas to the laser head 120, a gas supply unit 130 for supplying the shielding gas to the bed (not shown) And a plasma processor 150 for plasma-processing the metal powder supplied to the plasma generator 110. The plasma processor 150 includes a plasma head 152 for generating a plasma and a plasma gas supply unit 154 for supplying a plasma gas to the plasma head 152. Herein, the metal powder is exemplified as the 3D printing material, but the metal powder is not limited thereto, and the metal alloy is naturally included in the metal powder, and other functional materials such as ceramics may also be included.

제1 실시 예에 따른 금속 분말 3D 프린팅 과정을 살펴보면, 레이저 헤드(120)에서는 금속분말(M)이 실시간으로 공급되며, 공급되는 금속분말(M)에 레이저(L)가 조사된다. 이때, 중앙부로 레이저(L)가 조사되며, 그 외부에서 레이저의 광경로 상에 금속분말(M)이 공급되고, 공급되는 금속분말(M)의 외측으로 실드 가스(G)가 공급된다. In the 3D printing process of the metal powder according to the first embodiment, the metal powder M is supplied in real time in the laser head 120, and the laser L is irradiated to the metal powder M to be supplied. At this time, the laser L is irradiated to the central portion, the metal powder M is supplied onto the optical path of the laser from the outside, and the shield gas G is supplied to the outside of the metal powder M to be supplied.

이처럼, 제1 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는 보호가스 분위기에서 금속분말을 실시간으로 공급하여 고출력의 레이저를 사용해 금속분말의 공급과 동시에 용융된 후 응고되어 제품(W)의 형상을 적층해 나가는 방식이다. 이때, 진공 챔버가 아닌 대기압 상태에서 적층 공정이 이루어질 경우, 분말 공급부(130)를 통해 공급되는 금속분말이 산화될 수 있으므로, 플라즈마 처리기(150)를 통해 이를 방지할 수 있다. 이때, 플라즈마 처리기(150)는 상압(대기압) 하에서 플라즈마 생성하는 대기압 플라즈마 방식인 것이 바람직하다.As described above, the 3D printing apparatus according to the first embodiment is capable of supplying metal powder in a protective gas atmosphere in real time, and simultaneously melting and coagulating the metal powder using a high-output laser to stack the product W to be. At this time, when the laminating process is performed at the atmospheric pressure rather than the vacuum chamber, the metal powder supplied through the powder supplying unit 130 may be oxidized, thereby preventing the metal powder from being supplied through the plasma processor 150. At this time, it is preferable that the plasma processor 150 is an atmospheric pressure plasma method in which plasma is generated under atmospheric pressure (atmospheric pressure).

한편, 플라즈마는 전류와 전압의 형태에서 따라 방전 형태가 달라지게 된다. 구체적으로, 코로나(corona) 방전 영역과, 글로우(glow) 방전 영역과, 스트리머(streamer) 방전 영역과, 아크(arc) 방전 영역이 있다. 이 중에서, 제1 실시 예에 따른 플라즈마 처리기는 아크 발생이 없으며 저온의 안정적인 글로우 플라즈마를 발생시키는 것이 바람직한데, 이는 미세한 금속분말을 안정적으로 플라즈마 처리하기 위한 것이다. On the other hand, the discharge shape of the plasma varies depending on the type of the current and the voltage. Specifically, there are a corona discharge region, a glow discharge region, a streamer discharge region, and an arc discharge region. Among them, the plasma processor according to the first embodiment preferably generates no arc and generates a stable glow plasma at a low temperature, which is intended to stably plasma-process a fine metal powder.

또한, 플라즈마 처리의 효과는 플라즈마 가스의 종류에 따라서 달라지게 되므로, 플라즈마 가스로 아르곤 가스(Ar)와 산소(O2)를 혼합하여 사용할 수 있다. 여기서, 플라즈마 가스로 아르곤과 산소를 혼합하여 이용하게 되면, 플라즈마 처리에 의하여 금속분말의 표면 세정 효과를 얻을 수 있다. 즉, 플라즈마 처리를 통해 금속분말 표면의 유기물과 수분을 제거할 수 있으며, 정전기를 제거하는 효과도 가져온다.In addition, since the effect of the plasma treatment depends on the kind of the plasma gas, argon gas (Ar) and oxygen (O2) can be mixed and used as the plasma gas. Here, when argon and oxygen are used as a plasma gas, the surface cleaning effect of the metal powder can be obtained by the plasma treatment. That is, the organic matter and moisture on the surface of the metal powder can be removed through the plasma treatment, and the effect of removing the static electricity is also obtained.

또한, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플라즈마 처리기(150)는 플라즈마 가스로 헬륨 가스(He)와 아르곤-수소 가스(Ar-H)를 혼합하여 사용할 수 있다. 여기서, 플라즈마 가스로 헬륨 가스와 아르곤-수소를 혼합하여 이용하게 되면, 플라즈마 처리에 의하여 금속분말을 환원처리 할 수 있다. 즉, 레이저 용융 이전에 금속분말을 환원처리하게 되면 레이저 용융 과정에서 금속분말이 산화되는 것을 억제할 수 있다. In addition, the plasma processor 150 according to the first embodiment of the present invention may use a mixture of helium gas (He) and argon-hydrogen gas (Ar-H) as a plasma gas. Here, when a mixture of helium gas and argon-hydrogen is used as the plasma gas, the metal powder can be reduced by the plasma treatment. That is, if the metal powder is reduced before laser melting, oxidation of the metal powder in the laser melting process can be suppressed.

이와 같이, 플라즈마 처리기(150)를 통한 플라즈마 처리의 세정 효과 또는 환원 효과를 위해서는 플라즈마의 온도는 약 300도 정도이고, 처리시간은 1~2초 범위인 것이 바람직하다.In this way, for the cleaning effect or the reducing effect of the plasma treatment through the plasma processor 150, the temperature of the plasma is preferably about 300 degrees, and the treatment time is preferably in the range of 1 to 2 seconds.

또한, 플라즈마 처리는 금속분말의 입자를 구형화하는 효과를 가져온다. 이는 금속분말에 순간적으로 에너지가 공급됨으로 인하여, 금속분말의 표면이 순간적으로 용융되었다가 응고되기 때문이다. 이처럼 금속분말 입자가 구형화되면 형성되는 제품 내부에 기공 발생을 저감할 수 있는 효과를 가져온다.Further, the plasma treatment brings about the effect of sphering the particles of the metal powder. This is because the surface of the metal powder is momentarily melted and coagulated due to the instantaneous supply of energy to the metal powder. When the metal powder particles are spherical, the pore generation inside the formed product can be reduced.

한편, 도 1에 도시한 제1 실시예의 경우, 플라즈마 처리기(150)가 레이저 헤드(120)에 1개 구비된 것으로 도시하였으나, 플라즈마 처리기(150)를 복수 개 배치할 수도 있다. 이때, 복수 개의 플라즈마 처리기(150) 중 일부는 세정 효과를 위하여 아르곤과 산소를 플라즈마 가스로 이용하고, 나머지 일부는 환원 효과를 위해서 헬륨과 아르곤-수소를 플라즈마 가스로 이용하도록 할 수 있다.In the first embodiment shown in FIG. 1, one plasma processor 150 is provided in the laser head 120, but a plurality of plasma processors 150 may be disposed. At this time, some of the plurality of plasma processors 150 may use argon and oxygen as a plasma gas for the cleaning effect, and the rest may use helium and argon-hydrogen as a plasma gas for the reducing effect.

가령, 플라즈마 처리기(150)를 도 1에 도시한 바와 같이, 레이저 헤드(120)에 배치할 수도 있지만, 이외에도 실드 가스 공급부(140)에 배치하거나 실드 가스 공급부(140)와 레이저 헤드(120)를 연결하는 분말 공급 배관 상에 배치할 수도 있다. 이처럼, 플라즈마 처리기(150)는 금속분말이 레이저로 용융되기 이전에 플라즈마 처리될 수 있도록 배치되면 전술한 소정의 효과를 구현할 수 있어 무방하다 할 것이다.1, the plasma processor 150 may be disposed in the laser head 120, but it is also possible to arrange the plasma processor 150 in the shield gas supply unit 140 or the shield gas supply unit 140 and the laser head 120 It may be placed on the connecting powder feed pipe. As described above, the plasma processor 150 can realize the above-described predetermined effect when the metal powder is disposed so as to be plasma-processed before being melted by a laser.

도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치(200)를 개략적으로 나타낸 구성도이다. FIG. 2 is a schematic view of a metal powder 3D printing apparatus 200 using a plasma process according to a second embodiment of the present invention.

도 2에 도시한 바와 같이, 제2 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(200)는 제품을 조형할 금속 분말이 적층되는 파우더 베드(210)와, 상기 파우더 베드(210)에 금속분말을 적층하는 도포기(220)와, 금속 분말을 상기 도포기(220)로 공급하는 분말 공급부(230)와, 레이저를 생성하여 공급하는 레이저 발생부(240)와, 상기 레이저 발생부(240)에서 공급되는 레이저를 파우더 베드(210) 상에 선택적으로 조사하는 스캐너부(250)와, 상기 파우더 베드(210)로 공급되는 분말을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리기(260)를 포함한다. 또한, 플라즈마 처리기(260)는 플라즈마를 생성하는 플라즈마 헤드(262)와, 상기 플라즈마 헤드(262)로 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부(264)를 포함한다. 여기서, 3D 프린팅 소재로서 금속 분말을 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 금속 합금 형태는 상기 금속 분말에 당연히 포함된다 할 것이며 그 외 세라믹 등 기능성 소재도 포함될 수 있다.As shown in FIG. 2, the 3D printing apparatus 200 according to the second embodiment includes a powder bed 210 in which metal powder for forming a product is stacked, a coating layer 210 for depositing metal powder on the powder bed 210, A laser generator 240 for generating and supplying a laser beam; a laser generator 240 for generating a laser beam from the laser generator 240; And a plasma processor 260 for plasma-processing the powder supplied to the powder bed 210. The plasma processor 260 may be a plasma processing apparatus, The plasma processor 260 includes a plasma head 262 for generating a plasma and a plasma gas supply unit 264 for supplying a plasma gas to the plasma head 262. Herein, the metal powder is exemplified as the 3D printing material, but the metal powder is not limited thereto, and the metal alloy is naturally included in the metal powder, and other functional materials such as ceramics may also be included.

제2 실시 예에 따른 금속 분말 3D 프린팅 과정을 살펴보면, 분말 공급부(230)에서 일정한 면적을 가지는 파우더 베드(210)에 금속분말 층을 깔고 레이저를 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후, 한 층 한 층씩 용융시켜서 쌓아 올라가는 방식이다. 즉, 분말 공급부(230)는 금속 분말을 저장하고 있다가, 도포기(220)로 금속 분말을 공급하게 되며, 도포기(220)는 상기 파우더 베드(210) 상에 금속 분말을 균일하게 도포하여 적층한다. 이어, 파우더 베드(210)에 적층된 금속 분말에 스캐너부(250)가 레이저를 조사하여 금속분말을 용융시키고 응고시켜 조형한 후, 다시 도포기(220)에 의하여 새로운 금속 분말이 적층되는 과정이 반복되며 제품(W)의 제조가 이루어진다. A metal powder layer is laid on a powder bed 210 having a predetermined area in the powder supplying part 230 and the laser is selectively irradiated according to the design drawing. It melts and stacks up. That is, the powder supplying unit 230 stores the metal powder and supplies the metal powder to the applicator 220, and the applicator 220 uniformly applies the metal powder onto the powder bed 210 Laminated. Next, a process in which the scanner 250 is laser-irradiated with the metal powder deposited on the powder bed 210 to melt and coagulate the metal powder, and then the new metal powder is laminated by the applicator 220 And the production of the product W is carried out.

이때, 플라즈마 가스로는 제1 실시 예에서 설명한 바와 같이, 아르곤과 산소를 혼합하여, 플라즈마 처리를 통하여 세정 효과를 얻을 수 있다. 게다가, 헬륨과 아르곤-수소를 혼합하여, 플라즈마 처리를 통하여 환원 효과를 얻을 수 있도록 할 수 있다. At this time, as described in the first embodiment, argon and oxygen are mixed with the plasma gas, and the cleaning effect can be obtained through the plasma treatment. In addition, a reducing effect can be obtained by mixing helium and argon-hydrogen and performing plasma treatment.

제2 실시 예에서, 도 2를 참조하면, 플라즈마 처리기(260)의 플라즈마 헤드(262)가 분말 공급부(230)와 도포기(220) 사이의 금속 분말 이송 경로 상에 배치된 것으로 도시하였으나, 플라즈마 처리기(260)는 상기 도포기(220)의 내부 또는 분말 공급부(230)의 내부에 배치될 수도 있다.2, the plasma head 262 of the plasma processor 260 is illustrated as being disposed on the metal powder transfer path between the powder supply unit 230 and the applicator 220, The processor 260 may be disposed within the applicator 220 or within the powder supply 230.

플라즈마 처리기(260)에서 생성되는 플라즈마의 형태, 온도, 시간 등은 앞서 설명한 제1 실시예의 플라즈마 처리기(150)와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.Since the type, temperature, and time of the plasma generated in the plasma processor 260 are the same as those of the plasma processor 150 of the first embodiment described above, the duplicated description will be omitted.

도 3은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 3D 프린팅 장치에 적용되는 플라즈마 헤드(300)를 개략적으로 나타낸 구성도이다. 3 is a schematic view illustrating a plasma head 300 applied to a 3D printing apparatus according to the first and second embodiments of the present invention.

도 3을 참조하면, 상기 플라즈마 헤드(300)는 한 쌍의 전극(310a, 310b)을 포함하되, 제1전극(310a)은 중심부에 막대 형상으로 배치되고, 제2전극(310b)은 상기 제1전극(310b)을 둘러싸는 원통 형상으로 배치되어, 제1전극(310a)과 제2전극(310b)의 사이에 방전 공간(P1)을 형성한다.Referring to FIG. 3, the plasma head 300 includes a pair of electrodes 310a and 310b. The first electrode 310a is disposed in a rod shape at a central portion, and the second electrode 310b is disposed in a rod- The discharge space P1 is formed between the first electrode 310a and the second electrode 310b so as to surround the first electrode 310b.

이때, 제1전극(310a)은 제2전극(310b)보다 길게 형성되어, 제2전극(310b)의 외부로 돌출되어 금속분말 측으로 노출되도록 하는 것이 바람직하다.At this time, the first electrode 310a is formed longer than the second electrode 310b, and is protruded to the outside of the second electrode 310b to be exposed toward the metal powder.

또한, 플라즈마 가스는 도면 상부의 유입구(320)를 통해서 유입되어, 제1전극(310a)과 제2전극(310b) 사이의 방전공간(P1)을 통과하여, 외부로 분사된다. 따라서, 제1전극(310a)과 제2전극(310b) 사이의 방전공간(P1)에 형성된 플라즈마가 제1전극(310a)과 제2전극(310b)의 하단부와 이송되는 금속분말(M)들의 사이로 전이되어, 공급되는 금속분말(M)에 플라즈마(P2)를 직접 조사할 수 있다.The plasma gas flows through the inlet 320 in the upper portion of the drawing and passes through the discharge space P1 between the first electrode 310a and the second electrode 310b and is discharged outside. The plasma generated in the discharge space P1 between the first electrode 310a and the second electrode 310b is applied to the lower ends of the first electrode 310a and the second electrode 310b and the metal powder M And the plasma P2 can be directly irradiated to the metal powder M to be supplied.

앞서 설명한 바와 같이, 제1 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(100)에서는 금속분말(M)이 레이저 헤드에서 실시간으로 공급된다. 따라서, 제1 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(100)에 적용되는 플라즈마 처리기는 금속분말(M)의 공급 경로 상에 효과적으로 플라즈마를 제공할 수 있도록 하기 위하여, 도 3에 도시한 바와 같은 형태의 플라즈마 헤드(300)가 적용될 수 있다. 이러한 플라즈마 헤드(300)는 노즐형태로, 협소한 영역에 플라즈마를 효과적으로 제공할 수 있으며, 레이저 헤드에 장착이 용이한 장점을 가진다.As described above, in the 3D printing apparatus 100 according to the first embodiment, the metal powder M is supplied in real time from the laser head. Therefore, in order to effectively supply the plasma on the supply path of the metal powder M, the plasma processor, which is applied to the 3D printing apparatus 100 according to the first embodiment, The head 300 may be applied. The plasma head 300 has a nozzle shape and can effectively provide a plasma in a narrow area and is easy to mount on a laser head.

한편, 제1전극(310a)을 지면 방향으로 길이를 가지는 평판 형태로 형성하고, 제2전극(310b)도 마찬가지로(대칭적으로) 지면 방향으로 길이를 가지는 평판 형태로 형성하면, 플라즈마가 슬릿 형태로 생성되도록 할 수 있으며, 이러한 형태는 제2 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(200)의 롤러부나, 롤러부의 하부 평면에 배치하기에 적합할 수 있다.If the first electrode 310a is formed in the shape of a flat plate having a length in the paper surface direction and the second electrode 310b is formed in the shape of a flat plate having a length in the direction of the paper surface (symmetrically) And this shape can be adapted to be disposed in the roller portion of the 3D printing apparatus 200 according to the second embodiment or in the lower plane of the roller portion.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is to be understood that the above-described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, and the scope of the present invention will be indicated by the appended claims rather than by the foregoing detailed description. It is intended that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims, as well as any equivalents thereof, be within the scope of the present invention.

100, 200 : 3D 프린팅 장치
110 : 베드
120 : 레이저 헤드
130, 230 : 분말 공급부
140 : 실드 가스 공급부
150, 260 : 플라즈마 처리기
152, 262, 300 : 플라즈마 헤드
154, 264: 플라즈마 가스 공급부
210 : 파우더 베드
220 : 도포기
240 : 레이저 발생부
250 : 스캐너부
310a : 제1전극
310b : 제2전극
L : 레이저
M : 금속분말
G : 실드 가스
P1 : 플라즈마 영역
P2: 전이 플라즈마 영역
100, 200: 3D printing device
110: Bed
120: laser head
130, 230: Powder supply part
140: shield gas supply part
150, 260: Plasma processor
152, 262, 300: Plasma head
154, 264: Plasma gas supply part
210: Powder bed
220: applicator
240: laser generator
250: Scanner part
310a: first electrode
310b: second electrode
L: Laser
M: metal powder
G: Shield gas
P1: Plasma region
P2: transition plasma region

Claims (12)

금속분말을 원재료로 하여, 상기 금속분말에 레이저를 조사하여 3차원 형상을 조형하는 금속분말 3D 프린팅 장치에 있어서,
상기 레이저를 통한 조사 이전에 상기 금속분말을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
A metal powder 3D printing apparatus using a metal powder as a raw material and forming a three-dimensional shape by irradiating the metal powder with a laser,
And a plasma processor for plasma-processing the metal powder before irradiation with the laser.
제1항에 있어서,
상기 금속분말 3D 프린팅 장치는,
상기 3차원 형상의 제품이 형성되는 베드와,
상기 베드 상에 상기 금속분말을 공급하며 상기 레이저를 조사하는 레이저 헤드와,
상기 레이저 헤드로 상기 금속분말을 공급하는 분말 공급부와,
상기 레이저 헤드로 실드 가스를 공급하는 실드 가스 공급부를 포함하고,
상기 플라즈마 처리기는 상기 금속분말이 상기 베드로 공급되는 경로 상에 설치되는 것을 특징으로 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
The method according to claim 1,
In the metal powder 3D printing apparatus,
A bed on which the three-dimensional product is formed,
A laser head for supplying the metal powder onto the bed and irradiating the laser,
A powder supply unit for supplying the metal powder to the laser head,
And a shield gas supply unit for supplying a shield gas to the laser head,
Wherein the plasma processor is installed on a path through which the metal powder is supplied to the bed.
제1항에 있어서,
상기 금속분말 3D 프린팅 장치는,
상기 금속분말이 적층되는 파우더 베드와,
상기 파우더 베드에 상기 금속분말을 적층하는 도포기와,
상기 금속분말을 상기 도포기로 공급하는 분말 공급부와,
상기 레이저를 생성하여 공급하는 레이저 발생부와,
상기 레이저 발생부에서 공급되는 상기 레이저를 상기 파우더 베드 상에 선택적으로 조사하는 스캐너부를 포함하고,
상기 플라즈마 처리기는 상기 금속분말이 상기 파우더 베드로 공급되는 경로 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
The method according to claim 1,
In the metal powder 3D printing apparatus,
A powder bed in which the metal powder is laminated,
An applicator for laminating the metal powder on the powder bed,
A powder supply unit for supplying the metal powder to the applicator,
A laser generator for generating and supplying the laser;
And a scanner unit for selectively irradiating the laser beam supplied from the laser generator onto the powder bed,
Wherein the plasma processor is installed on a path through which the metal powder is supplied to the powder bed.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 플라즈마 처리기는 플라즈마 가스로 아르곤과 산소를 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
The method according to claim 2 or 3,
Wherein the plasma processor uses argon and oxygen as a plasma gas.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 플라즈마 처리기는 플라즈마 가스로 헬륨과, 아르곤-수소를 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
The method according to claim 2 or 3,
Wherein the plasma processor uses helium and argon-hydrogen as a plasma gas.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 플라즈마 처리기는 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
The method according to claim 2 or 3,
Wherein a plurality of the plasma processors are provided.
제6항에 있어서,
상기 플라즈마 처리기는
플라즈마 가스로 아르곤과 산소를 포함하는 제1 플라즈마 처리기와,
플라즈마 가스로 헬륨과 아르곤-수소를 포함하는 제2 플라즈마 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
The method according to claim 6,
The plasma processor
A first plasma processor including argon and oxygen as a plasma gas,
And a second plasma processor including helium and argon-hydrogen as the plasma gas.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 처리기는 글로우 방전 영역을 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the plasma processor uses a glow discharge region.
제2항에 있어서,
상기 플라즈마 처리기는, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 헤드와, 상기 플라즈마 헤드로 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부를 포함하고,
상기 플라즈마 헤드는 노즐 형태를 갖는 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the plasma processor includes a plasma head for generating a plasma and a plasma gas supply unit for supplying a plasma gas to the plasma head,
Wherein the plasma head has a nozzle shape.
제9항에 있어서,
상기 플라즈마 헤드는,
한 쌍의 전극을 포함하되, 제1전극은 중심부에 막대 형상으로 배치되고, 제2전극은 상기 제1전극을 둘러싸는 원통 형상으로 배치되어, 상기 제1전극과 상기 제2전극의 사이에 방전 공간을 형성하고,
상기 제1전극은 상기 제2전극보다 길게 형성되어, 상기 제2전극의 외부로 돌출되어 상기 금속분말 측으로 노출되도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
10. The method of claim 9,
Wherein the plasma head comprises:
A plasma display panel comprising a pair of electrodes, wherein the first electrode is arranged in a rod-like shape at the central portion, and the second electrode is arranged in a cylindrical shape surrounding the first electrode, Forming a space,
Wherein the first electrode is formed to be longer than the second electrode so as to be protruded to the outside of the second electrode and exposed to the metal powder side.
제3항에 있어서,
상기 플라즈마 처리기는, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 헤드와, 상기 플라즈마 헤드로 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부를 포함하고,
상기 플라즈마 헤드는 슬릿 형태를 갖는 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
The method of claim 3,
Wherein the plasma processor includes a plasma head for generating a plasma and a plasma gas supply unit for supplying a plasma gas to the plasma head,
Wherein the plasma head has a slit shape.
제11항에 있어서,
상기 플라즈마 헤드는,
한 쌍의 전극을 포함하되, 제1전극은 지면 방향으로 길이를 가지는 평판 형태로 형성하고, 제2전극은 상기 제1전극과 대칭적으로 지면 방향으로 길이를 가지는 평판 형태로 형성하여, 상기 제1전극과 상기 제2전극의 사이에 방전 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치.
12. The method of claim 11,
Wherein the plasma head comprises:
Wherein the first electrode is formed in a flat plate shape having a length in the paper surface direction and the second electrode is formed in a flat plate shape having a length in the direction of the paper surface symmetrically with respect to the first electrode, And a discharge space is formed between the first electrode and the second electrode.
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