KR20180008731A - 삼차원 형상 조형물의 제조 방법 - Google Patents

삼차원 형상 조형물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

절삭 공구를 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공하는 경우에 있어서, 절삭 공구의 제품 수명을 보다 연장시키기 위한 삼차원 형상 조형물의 제조 방법을 제공하기 위해, 본 발명에서는, (ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및 (ⅱ) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 새로운 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 추가로 고화층을 형성하는 공정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복하여 실행하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법에 있어서, 고화층의 표면에 대하여 절삭 가공 처리를 실시하고 있으며, 절삭 가공 처리를 초음파 진동 조건으로 실행하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.

Description

삼차원 형상 조형물의 제조 방법
본 발명은 삼차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 분말층으로의 광 비임 소자에 의해 고화층을 형성하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다.
광 비임을 분말 재료에 조사하는 것을 통하여 삼차원 형상 조형물을 제조하는 방법(일반적으로는, "분말 소결 적층법"이라 칭해짐)은 종래부터 알려져 있다. 이러한 방법은 이하의 공정 (ⅰ) 및 (ⅱ)에 근거하여 분말층 형성과 고체층 형성을 교대로 반복 실시하여 삼차원 형상 조형물을 제조한다.
(ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여, 이러한 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정.
(ⅱ) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 마찬가지로 광 비임을 조사하여 추가로 고화층을 형성하는 공정.
이러한 제조 기술에 따르면, 복잡한 삼차원 형상 조형물을 단시간에 제조하는 것이 가능해진다. 분말 재료로서 무기질의 금속 분말을 이용하는 경우, 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 금형으로서 사용할 수 있다. 한편, 분말 재료로서 유기질의 수지 분말을 이용하는 경우, 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 각종 모델로서 사용할 수 있다.
분말 재료로서 금속 분말을 이용하여 그에 의해 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 금형으로 하여 사용하는 경우를 예를 든다. 우선, 스퀴징·블레이드를 움직여 조형 플레이트 상에 소정 두께의 분말층을 형성한다. 그 다음에, 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 분말층으로부터 고화층을 형성한다. 이어서, 얻어진 고화층(24) 위에 새로운 분말층(22)을 형성하고 재차 광 비임을 조사하여 새로운 고화층(24)을 형성한다. 이와 같이 하여, 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복 실시하면 고화층이 적층되게 되고, 최종적으로는 적층화된 고화층으로 이루어지는 삼차원 형상 조형물을 얻을 수 있다. 최하층으로서 형성되는 고화층은 조형 플레이트와 결합한 상태가 되므로, 삼차원 형상 조형물과 조형 플레이트는 일체화물을 이루게 되고, 그 일체화물을 금형으로서 사용할 수 있다.
일본 특허 공개 제 2002-115004 호 공보 일본 특허 공개 제 2000-73108 호 공보
삼차원 형상 조형물의 표면에 대해서는 절삭 가공을 실시하는 경우가 있다. 구체적으로는, 삼차원 형상 조형물의 형상 정밀도를 보다 높이기 위해, 삼차원 형상 조형물을 이루는 고화층에 대하여 표면 절삭 처리를 실시하는 경우가 있다. 이러한 표면 절삭 처리시에는, 볼 엔드 밀 등의 회전 절삭 공구가 일반적으로 이용된다.
예를 들면, 볼 엔드 밀을 이용하여 표면 절삭 처리를 실시하는 경우, 고화층 표면에 대한 볼 엔드 밀의 절삭 저항은 무시하지 못하며, 또한 볼 엔드 밀이 절삭 부스러기를 혼입할 우려가 있다. 그 때문에, 볼 엔드 밀의 제품 수명이 짧아져 버리는 경우가 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 절삭 공구를 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공하는 경우에 있어서, 절삭 공구의 제품 수명을 보다 연장시키기 위한 삼차원 형상 조형물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시형태에서는,
(ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ⅱ) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 새로운 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 추가로 고화층을 형성하는 공정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복하여 실행하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법에 있어서,
고화층의 표면에 대하여 절삭 가공 처리를 실시하고 있으며, 절삭 가공 처리를 초음파 진동 조건으로 실행하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제조 방법에서는, 절삭 공구를 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공하는 경우에 있어서, 절삭 공구의 제품 수명을 보다 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념을 설명하기 위해 모식적으로 도시한 개략 사시도이다,
도 1a는 당업자의 인식을 설명하기 위해 모식적으로 도시한 개략 단면도이다.
도 2는 절삭 공구를 초음파 진동을 부여하여 고화층 표면의 절삭 가공 처리를 실행하는 태양을 모식적으로 도시한 개략 단면도이다.
도 3은 진동 기구를 이용하여 절삭 공구를 초음파 진동을 부여하는 태양을 모식적으로 도시한 개략 단면도이다.
도 4는 초음파 진동 조건하에서 고화층 표면을 거친 가공(粗加工)한 후에 절삭 마무리 가공을 실시하는 태양을 모식적으로 도시한 개략 단면도이다.
도 5는 초음파 진동 조건하에서 고화층 표면을 거친 가공한 후에 연마 마무리 가공을 실시하는 태양을 모식적으로 도시한 개략 단면도이다.
도 6은 초음파 진동 조건하에서 고화층 표면을 거친 가공, 절삭 마무리 가공한 후에 연마 마무리 가공을 실시하는 태양을 모식적으로 도시한 개략 단면도이다.
도 6a의 (a)는 초음파 진동 조건하에서 고화층 표면을 1층마다 거친 가공, 절삭 마무리 가공한 후에 연마 마무리 가공을 실시하는 태양을 모식적으로 도시한 개략 단면도이다. 도 6a의 (b)는 초음파 진동 조건하에서 고화층 표면을 1층마다 거친 가공한 후에, 고화층 표면을 복수층 모아서 절삭 마무리 가공 및 연마 마무리 가공을 실시하는 태양을 모식적으로 도시한 개략 단면도이다.
도 7은 초음파 타원 진동 조건하에서 고화층 표면의 절삭 가공 처리를 실행하는 태양을 모식적으로 도시한 개략 단면도이다.
도 8은 조형 테이블을 초음파 진동을 부여하여 고화층 표면의 절삭 가공 처리를 실행하는 태양을 모식적으로 도시한 개략 단면도이다.
도 9는 초음파 진동시키지 않고 절삭 가공을 실행한 부분의 확대 사진도이다.
도 10은 초음파 진동 조건하에서 절삭 가공을 실행한 부분의 확대 사진도이다.
도 11은 초음파 진동시키지 않고 절삭 가공을 실행했을 때의 절삭 공구의 선단부의 마모 상태를 나타낸 확대 사진도이다.
도 12는 초음파 진동 조건하에서 절삭 가공을 실행했을 때의 절삭 공구의 선단부의 마모 상태를 나타낸 확대 사진도이다.
도 13은 고화층 표면의 절삭 거리와 절삭 공구의 선단부의 마모량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 14는 초음파 진동시키지 않고 절삭 가공을 실행했을 때의 절삭 부스러기의 확대 사진도이다.
도 15는 초음파 진동 조건하에서 절삭 가공을 실행했을 때의 절삭 부스러기의 확대 사진도이다.
도 16은 고화층 표면의 절삭 거리와 절삭 공구의 절삭 저항의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 17은 초음파 진동시키지 않고 절삭 가공을 실행했을 때의 버어 발생 상황을 나타낸 확대 사진도이다.
도 18은 초음파 진동 조건하에서 절삭 가공을 실행했을 때의 버어 발생 상황을 나타낸 확대 사진도이다.
도 19는 초음파 진동시키지 않고 절삭 가공을 실행한 부분의 확대 사진도이다.
도 20은 초음파 진동 조건하에서 절삭 가공을 실행한 부분의 확대 사진도이다.
도 21은 절삭 가공 시의 절삭 공구(엔드 밀)를 나타낸 사진도이다.
도 22는 분말 소결 적층법이 실시되는 광조형 복합 가공의 프로세스 태양을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 23은 광조형 복합 가공기의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 24는 광조형 복합 가공기의 일반적인 동작을 나타내는 흐름도이다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시태양을 보다 상세하게 설명한다. 도면에 있어서의 각종 요소의 형태 및 치수는 어디까지나 예시에 지나지 않으며, 실제의 형태 및 치수를 반영하는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서 "분말층"이란, 예를 들면 "금속 분말로 이루어지는 금속 분말층" 또는 "수지 분말로 이루어지는 수지 분말층"을 의미하고 있다. 또한 "분말층의 소정 개소"란, 제조되는 삼차원 형상 조형물의 영역을 실질적으로 가리키고 있다. 따라서, 이러한 소정 개소에 존재하는 분말에 대하여 광 비임을 조사하는 것에 의해, 그 분말이 소결 또는 용융 고화되어 삼차원 형상 조형물을 구성하게 된다. 또한 "고화층"이란, 분말층이 금속 분말층인 경우에는 "소결층"을 의미하며, 분말층이 수지 분말층인 경우에는 "경화층"을 의미하고 있다.
본 명세서에서 직접적 또는 간접적으로 설명하는 "상하"의 방향은, 예를 들면 조형 플레이트와 삼차원 형상 조형물의 위치 관계에 근거하는 방향이며, 조형 플레이트를 기준으로 하여 삼차원 형상 조형물이 제조되는 측을 "상부 방향"이라 하고, 그 반대측을 "하부 방향"이라 한다. 본 명세서에서 말하는 "수직 방향"이란 고화층의 적층 방향을 실질적으로 가리키고 있으며, 도면에 있어서의 "상하 방향"에 상당한다. 한편, 본 명세서에서 말하는 "수평 방향"이란 고화층의 적층 방향에 대하여 수직인 방향을 실질적으로 가리키고 있으며, 도면에 있어서의 "좌우 방향"에 상당한다.
[분말 소결 적층법]
우선, 본 발명의 제조 방법의 전제가 되는 분말 소결 적층법에 대하여 설명한다. 특히, 분말 소결 적층법에 있어서 삼차원 형상 조형물의 절삭 처리를 부가적으로 실행하는 광조형 복합 가공을 예로 든다. 도 22는 광조형 복합 가공의 프로세스 태양을 모식적으로 도시하고 있으며, 도 23 및 도 24는 분말 소결 적층법과 절삭 처리를 실시할 수 있는 광조형 복합 가공기의 주된 구성 및 동작의 흐름도를 각각 나타내고 있다.
광조형 복합 가공기(1)는, 도 23에 도시하는 바와 같이, 분말층 형성 수단(2), 광 비임 소자 수단(3) 및 절삭 수단(4)을 구비하고 있다.
분말층 형성 수단(2)은, 금속 분말 또는 수지 분말 등의 분말을 소정 두께로 펼치는 것에 의해 분말층을 형성하기 위한 수단이다. 광 비임 소자 수단(3)은 분말층의 소정 개소에 광 비임(L)을 조사하기 위한 수단이다. 절삭 수단(4)은 적층화된 고화층의 측면, 즉, 삼차원 형상 조형물의 표면을 절삭하기 위한 수단이다.
분말층 형성 수단(2)은, 도 22에 도시하는 바와 같이, 분말 테이블(25), 스퀴징·블레이드(23), 조형 테이블(20) 및 조형 플레이트(21)를 주로 구비하여 이루어진다. 분말 테이블(25)은 외주가 벽(26)으로 둘러싸인 분말 재료 탱크(28) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 스퀴징·블레이드(23)는, 분말 테이블(25) 상의 분말(19)을 조형 테이블(20) 상으로 제공하여 분말층(22)을 얻기 위해 수평 방향으로 이동할 수 있는 블레이드이다. 조형 테이블(20)은, 외주가 벽(27)으로 둘러싸인 조형 탱크(29) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 그리고, 조형 플레이트(21)는 조형 테이블(20) 상에 배치되며, 삼차원 형상 조형물의 토대가 되는 플레이트이다.
광 비임 소자 수단(3)은, 도 23에 도시하는 바와 같이, 광 비임 발진기(30) 및 갈바노 미러(31)를 주로 구비하여 이루어진다. 광 비임 발진기(30)는 광 비임(L)을 발하는 기기이다. 갈바노 미러(31)는 발광된 광 비임(L)을 분말층에 스캐닝하는 수단, 즉 광 비임(L)의 주사 수단이다.
절삭 수단(4)은, 도 23에 도시하는 바와 같이, 엔드 밀(40) 및 구동 기구(41)를 주로 구비하여 이루어진다. 엔드 밀(40)은 적층화된 고화층의 측면, 즉 삼차원 형상 조형물의 표면을 절삭하기 위한 절삭 공구이다. 구동 기구(41)는 엔드 밀(40)을 소망의 절삭해야 하는 개소로 이동시키는 수단이다.
광조형 복합 가공기(1)의 동작에 대하여 상술한다. 광조형 복합 가공기의 동작은, 도 24의 흐름도에 나타내는 바와 같이, 분말층 형성 단계(S1), 고화층 형성 단계(S2) 및 절삭 단계(S3)로 구성되어 있다. 분말층 형성 단계(S1)는 분말층(22)을 형성하기 위한 단계이다. 이러한 분말층 형성 단계(S1)에서는, 우선 조형 테이블(20)을 Δt 낮추고(S11), 조형 플레이트(21)의 상면과 조형 탱크(29)의 상단면의 레벨 차이가 Δt가 되도록 한다. 이어서, 분말 테이블(25)을 Δt 높인 후, 도 22의 (a)에 도시하는 바와 같이 스퀴징·블레이드(23)를 분말 재료 탱크(28)로부터 조형 탱크(29)를 향하여 수평 방향으로 이동시킨다. 이에 의해, 분말 테이블(25)에 배치되어 있던 분말(19)을 조형 플레이트(21) 상으로 이송시킬 수 있고(S12), 분말층(22)의 형성이 실행된다(S13). 분말층을 형성하기 위한 분말 재료로서는, 예를 들면 "평균 입경 5㎛ 내지 100㎛ 정도의 금속 분말" 및 "평균 입경 30㎛ 내지 100㎛ 정도의 나일론, 폴리프로필렌 또는 ABS 등의 수지 분말"을 예로 들 수 있다. 분말층이 형성되면, 고화층 형성 단계(S2)로 이행된다. 고화층 형성 단계(S2)는 광 비임 소자에 의해 고화층(24)을 형성하는 단계이다. 이러한 고화층 형성 단계(S2)에 있어서는, 광 비임 발진기(30)로부터 광 비임(L)을 발광하고(S21), 갈바노 미러(31)에 의해 분말층(22) 상의 소정 개소로 광 비임(L)을 스캐닝한다(S22). 이에 의해, 분말층의 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜, 도 22의 (b)에 도시하는 바와 같이 고화층(24)을 형성한다(S23). 광 비임(L)으로서는, 탄산 가스 레이저, Nd:YAG 레이저, 파이버 레이저 또는 자외선 등을 이용하여도 좋다.
분말층 형성 단계(S1) 및 고화층 형성 단계(S2)는 교대로 반복하여 실시한다. 이에 의해, 도 22의 (c)에 도시하는 바와 같이 복수의 고화층(24)이 적층화된다.
적층화된 고화층(24)이 소정 두께에 도달하면(S24), 절삭 단계(S3)로 이행한다. 절삭 단계(S3)는 적층화된 고화층(24)의 측면, 즉 삼차원 형상 조형물의 표면을 절삭하기 위한 단계이다. 엔드 밀(40)(도 22의 (c) 및 도 23 참조)을 구동시키는 것에 의해 절삭 단계가 개시된다(S31). 예를 들면, 엔드 밀(40)이 3㎜의 유효 칼날 길이를 갖는 경우, 삼차원 형상 조형물의 높이 방향을 따라서 3㎜의 절삭 처리를 실행할 수 있으므로, Δt가 0.05㎜이면 60층분의 고화층이 적층된 시점에서 엔드 밀(40)을 구동시킨다. 구체적으로는 구동 기구(41)에 의해 엔드 밀(40)을 이동시키면서, 적층화된 고화층의 측면에 대하여 절삭 처리를 실시하게 된다(S32). 이러한 절삭 단계(S3)가 종료되면, 소망의 삼차원 형상 조형물이 얻어지고 있는지의 여부를 판단한다(S33). 소망의 삼차원 형상 조형물이 여전히 얻어지지 않고 있는 경우에서는, 분말층 형성 단계(S1)로 되돌아온다. 이후, 분말층 형성 단계(S1) ~ 절삭 단계(S3)를 반복 실시하여 추가로 고화층의 적층화 및 절삭 처리를 실시하는 것에 의해, 최종적으로 소망의 삼차원 형상 조형물이 얻어진다.
[본 발명의 제조 방법]
본 발명은 상술한 분말 소결 적층법 중, 특히 고화층 표면의 절삭 공정에 특징을 갖고 있다.
우선, 본 발명의 특징을 설명하기 전에, 고화층 표면을 절삭 가공 처리할 때의 당업자(삼차원 형상 조형물에 있어서의 당업자)의 인식에 대하여 언급한다.
(당업자의 인식)
고화층 표면의 절삭 처리시에는, 엔드 밀 등의 회전 절삭 공구를 이용하여 특히 고화층의 "측면"을 절삭하는 바, 당업자에게 있어서 해당 회전 절삭 공구를 이용한 절삭 처리는 진동 조건 등에 부여하는 일 없이 실행하는 것이 일반적인 인식이다. 왜냐하면, 삼차원 형상 조형물을 이루는 고화층 측면 절삭 처리에 대하여 진동 조건은 특별히 효과적이 아니라고 여겨져 있었기 때문이다. 이러한 생각은, 회전 절삭 공구가 장착된 절삭 디바이스는 오로지 공구 회전에 도움이 되는 기능을 갖는 것인 바, 절삭 공구를 진동을 부여할 때에 수평 방향(즉, 횡 방향)보다 수직 방향(즉, 상하 방향)으로 진동시키는 것이 상대적으로 용이하다고 여겨지고 있던 점에 존재한다.
도 1a에 도시하는 바와 같이, 고화층(24)의 측면에 "단차부(70)"가 형성되도록 고화층이 적층된 삼차원 형상 조형물에 대하여 "절삭 공구를 수직 방향으로 진동을 부여한 조건"으로 표면 절삭 처리를 실행하는 경우를 생각해 본다. 이러한 경우, 당업자에게 있어서, 수직 방향으로 진동하는 절삭 공구(47)는 진동 방향과 상이한 방향(구체적으로는 수평 방향)으로 연장되는 면에 대해서는 특별히 효과적이 아닌, 즉 단차부(70)의 수평면부(70a)에 대해서는 효과적이 아니라는 인식이 있다. 따라서, 회전 절삭 공구(47)의 수직 방향의 진동이 수평면부(70a)에는 충분히 제공되지 않는 것에 기인하여, 원호 형상의 절삭흔(cutting trace)이 고화층의 절삭 가공한 부분에 생기고, 그에 의해 해당 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기가 커지는 경우가 있다고 생각할 수 있다(도 1a의 우측 단부 도면 및 확대 도면 참조). 이 때문에, 분말 소결 적층법으로 제조되는 삼차원 형상 조형물은 여러 가지 외관 형상을 갖는 것인 바, 그러한 조형물 측면에 절삭 공구의 진동은 특별히 필요 없다는 것이 당업자의 인식이었다. 특히, 진동 조건의 정밀도가 높다고 여겨지는 "초음파 진동" 등은 이러한 당업자의 인식이 보다 현저하게 된다. 또한, 통상의 진동 조건으로 고화층 측면에 형성된 단차부를 절삭 가공 처리하는 태양도 있다(일본 특허 공개 제 2000-73108 호 공보). 그렇지만, 이러한 태양은 상기와 같은 당업자의 인식이 보다 현저하게 되는 "초음파 진동" 조건으로 단차부를 절삭 가공 처리하는 것으로는 되어 있지 않은 것은 확인적으로 부언해 둔다.
본 발명은 이 당업자의 인식에 반하여 굳이 초음파 진동 조건하에서 고화층 표면의 절삭 가공 처리를 실행하고 있는 점에 특징이 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
(본 발명의 개념)
우선, 본 발명의 구체적 태양을 설명하기 전에 본 발명의 개념에 대하여 도 1을 이용하여 설명한다.
본 발명의 개념은, "초음파 진동 조건하에서 고화층(24)의 표면의 절삭 가공 처리를 실행함"이라는 것이다. 보다 단적으로 말하면, 본 발명의 개념은, 도 1에 도시하는 바와 같이 "고화층(24)의 표면의 절삭 가공하는 부분에 대하여 초음파 진동을 제공함"이라는 것이다. 본 명세서에서 말하는 "초음파 진동"이란, 구체적으로는 20 내지 120㎑, 바람직하게는 25 내지 100㎑, 보다 바람직하게는 30 내지 80㎑, 더욱 바람직하게는 35 내지 60㎑, 예를 들면 35 내지 45㎑, 일 예를 들면 40㎑의 진동수로 진동시키는 것을 가리킨다.
본 발명에서는, 고화층(24)의 표면을 절삭 가공할 때에, 고화층(24)의 표면의 절삭 가공하는 부분에 대하여 초음파 진동을 제공하기 때문에, 해당 초음파 진동에 기인하여 절삭 가공하기 위한 절삭 공구(40)와 고화층(24)의 표면의 절삭 가공하는 부분의 사이에서 "접촉"과 "비접촉"이 반복되어 실행될 수 있다. 즉, 절삭 공구(40)와 절삭 가공하는 부분의 "단속적인" 접촉을 증가시킬 수 있다. 이에 의해, 절삭 공구(40)와 절삭 가공하는 부분의 접촉 회수를 증가시킬 수 있으며, 그에 의해, 절삭 가공하는 부분으로부터 절삭되는 절삭 부스러기의 사이즈를 작게 할 수 있다. 따라서, 절삭 공구(40)가 절삭 부스러기를 혼입하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 본 발명에서는, 절삭 공구(40)와 절삭 가공하는 부분의 "단속적인" 접촉을 증가시킬 수 있는, 즉, 절삭 공구(40)와 고화층(24)의 표면의 절삭 가공하는 부분이 절삭 가공 시에 "연속적으로" 또는 "상시" 접촉하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 고화층(24)의 표면의 절삭 가공하는 부분에 대한 절삭 공구(40)의 절삭 저항을 작게 하고, 또한 절삭 가공열을 억제할 수 있다. 이상에 의해, 절삭 공구(40)가 손상되기 어려워져, 그 결과, 절삭 공구(40)의 제품 수명을 보다 연장시킬 수 있다.
또한, 절삭 공구(구체적으로는 회전 절삭 공구)로 고화층 표면을 절삭할 때에는 원호 형상의 절삭흔이 고화층의 절삭 가공한 부분에 생기고, 그에 의해 해당 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기가 커지는 경우가 있다고 생각할 수 있다. 그렇지만, 본 발명에서는, 상술한 바와 같이 절삭 공구(40)와 고화층(24)의 표면의 절삭 가공하는 부분이 절삭 가공 시에 "연속적으로" 또는 "상시" 접촉하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 절삭흔이 고화층의 절삭 가공한 부분에 생기기 어려우며, 그에 의해 해당 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 작게 할 수 있다.
또한, 통상의 진동 조건(즉, 초음파 진동 조건이 아닌 조건)에 있어서도, 절삭 공구와 고화층 표면의 절삭 가공하는 부분의 사이에서 "접촉"과 "비접촉"이 반복하여 실행된다고 생각할 수 있다. 그렇지만, 통상의 진동 조건에서는, 초음파 진동 조건과 비교하여 진동수가 작은 것에 기인하여 절삭 공구와 해당 가공하는 부분의 접촉 회수는 적고, 또한 절삭 공구와 고화층 표면의 절삭 가공하는 부분이 절삭 가공 시에 접촉하는 시간은 길어진다. 그 때문에, 상기에서 설명한 "절삭 공구의 제품 수명을 보다 연장시킨다", "고화층의 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 작게 한다"와 같은 효과는 발휘하기 어렵다.
다음에, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시형태는 크게 2개의 실시형태로 나눌 수 있다. 우선, 본 발명의 제 1 실시형태는 절삭 공구를 초음파 진동을 부여한다는 기술적 사상에 근거하는 형태이다. 한편, 본 발명의 제 2 실시형태는 조형 플레이트를 초음파 진동을 부여한다는 기술적 사상에 근거하는 형태이다.
[본 발명의 제 1 실시형태]
(절삭 공구의 초음파 진동)
우선, "절삭 공구를 초음파 진동을 부여함"이라는 기술적 사상인 본 발명의 제 1 실시형태에 대하여 설명한다.
본 발명의 제 1 실시형태에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이 절삭 가공 처리에 이용하는 절삭 공구(40)에 초음파 진동을 부여하고, 고화층(24)의 표면의 절삭 가공 처리를 실행한다. 즉, 본 발명의 제 1 실시형태에서는, 절삭 공구(40)로부터 고화층(24)의 표면의 절삭 가공하는 부분에 대하여 해당 초음파 진동을 제공하여 고화층(24)의 표면의 절삭 가공 처리를 실행하는 것을 특징으로 한다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 도 3에 도시하는 바와 같이, 진동 기구(42)를 구동 기구(41)에 마련한 주축 상의 진동 기구(42)로부터 초음파 진동을 제공하는 것에 의해 절삭 공구(40)를 초음파 진동시켜도 좋다. 절삭 공구(40)로서는, "회전 절삭 공구" 또는 "비회전 절삭 공구"를 이용할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 "회전 절삭 공구"란, 절삭 가공 처리시에 회전 구동시켜 사용하는 공구를 의미하고 있다. 회전 절삭 공구의 회전수는 바람직하게는 3000 내지 9000min－1, 보다 바람직하게는 4000 내지 8000min－1, 더욱 바람직하게는 5000 내지 7000min－ 1이다. 구체적인 회전 절삭 공구로서는, 예를 들면 플랫 엔드 밀, 볼 엔드 밀 등의 엔드 밀을 예로 들 수 있다. 어느 바람직한 태양에서는, 회전 절삭 공구로서 플랫 엔드 밀을 이용하여 절삭 가공 처리를 실행한다. 또한, 회전 절삭 공구의 표면에는, 내열성을 향상시키기 위해 합금 코팅(예를 들면 AlTiN 코팅)이 마련된 것이어도 좋다.
이하, "회전 절삭 공구"를 초음파 진동시켜 고화층 표면을 절삭 가공 처리하는 태양에 대하여 설명한다. 해당 태양으로서는, 이하에서 각각 구체적으로 설명하지만, 3개의 패턴으로 나눌 수 있다.
우선, 패턴 1에 대하여 설명한다.
(패턴 1: 거친 가공→절삭 마무리 가공)
우선, 분말층에 광 비임(L)을 조사하여 얻어진 고화층(24)의 표면(도 4의 (a))을, 초음파 진동을 부여한 회전 절삭 공구(43)를 회전시켜 절삭 가공한다. 구체적으로는, 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같이, 회전 절삭 공구(43)의 연장 방향을 따른 방향(수직 방향)으로 초음파 진동시킨 회전 절삭 공구(43)를 회전시키는 것에 의해 고화층(24)의 표면을 거친 가공한다. 본 명세서에서 말하는 "거친 가공"이란, 5 내지 50㎛, 바람직하게는 10 내지 50㎛, 보다 바람직하게는 20 내지 50㎛, 더욱 바람직하게는 40 내지 50㎛의 진동 진폭으로 초음파 진동시키면서 고화층(24)의 표면을 절삭 가공하는 것을 가리킨다.
이어서, 도 4의 (c)에 도시하는 바와 같이, 회전 절삭 공구(43)의 연장 방향에 대하여 수직인 방향(수평 방향)으로 초음파 진동시킨 회전 절삭 공구(43)를 회전시키는 것에 의해 고화층(24)의 표면을 절삭 마무리 가공한다. 본 명세서에서 말하는 "절삭 마무리 가공"이란, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1.5 내지 10㎛, 보다 바람직하게는 2 내지 5㎛의 진동 진폭으로 초음파 진동시키면서 고화층(24)의 표면을 절삭 가공하는 것을 가리킨다.
이상과 같이, 본 태양에서는, 첫째로, "거친 가공"에 있어서의 회전 절삭 공구의 진동 방향을 수직 방향(즉 상하 방향)으로 하고 있는 것에 반하여, "절삭 마무리 가공"에 있어서의 회전 절삭 공구의 진동 방향을 수평 방향(즉, 좌우 방향)으로 하고 있는 것을 특징으로 하고 있다. 즉, 본 태양에서는, 절삭 가공 처리에 있어서 회전 절삭 공구(43)의 진동 방향을 "수직 방향"으로부터 "수평 방향"으로 전환하는 것을 특징으로 하고 있다. 해당 전환은, 예를 들면 도 3에 도시하는 바와 같이 상하 좌우로 이동 가능한 구동 기구(41)에 마련한 주축 상의 진동 기구(42)를 상하로 진동시키거나, 또는 좌우로 진동시키는 것에 의해 실시될 수 있다. 또한, 본 태양에서는, 둘째로, 회전 절삭 공구(43)를 "수직 방향"으로 진동시킬 때의 진폭을 "수평 방향"으로 진동시킬 때의 진폭보다 크게 하는 것을 특징으로 하고 있다. 구체적으로는, 상술하는 바와 같이, 회전 절삭 공구(43)를 "수평 방향"으로 진동시킬 때의 진폭을 예를 들면 2 내지 5㎛로 하는 것에 반하여, 회전 절삭 공구(43)를 "수직 방향"으로 진동시킬 때의 진폭을 예를 들면 20 내지 50㎛로 설정하는 것이 바람직하다.
이 2개의 특징에 의해, 본 태양에서는, 우선 "거친 가공"에서 회전 절삭 공구(43)와 고화층(24)의 표면의 사이의 "접촉" 개소가 상하로 어긋나도록 절삭 가공하고, 그에 의해 고화층의 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 작게 할 수 있다. 구체적으로는, "거친 가공"을 실시하는 것에 의해, 거친 가공한 부분의 표면 거칠기를, 산술 평균 거칠기 Rz: 5(5 포함하지 않고) 내지 10(10 포함하지 않고)㎛, 바람직하게는 5.5 내지 9.5㎛, 보다 바람직하게는 6.0 내지 9.0㎛, 더욱 바람직하게는 6.5 내지 8.5㎛로 할 수 있다. 이어서, "절삭 마무리 가공"에서, 회전 절삭 공구(43)와 고화층(24)의 표면의 절삭 가공하는 부분의 사이에서 거친 가공 시보다 작은 진동 진폭으로 "접촉"과 "비접촉"이 보다 반복하여 실행되는 것에 의해 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 보다 작게 할 수 있다. 구체적으로는, "절삭 마무리 가공"을 실시하는 것에 의해, 절삭 마무리 가공한 부분의 표면 거칠기를, Rz: 2.5 내지 8.5㎛, 바람직하게는 3.5 내지 7.5㎛, 보다 바람직하게는 4.5 내지 6.5㎛, 더욱 바람직하게는 5.0 내지 6.0㎛로 할 수 있다. 또한, 여기서 말하는 표면 거칠기를 나타내는 Rz란, JIS B0601에서 규정하고 있는 거칠기 Rz를 가리키고 있다. 즉, 본 발명에 있어서의 Rz는, 거칠기 곡선으로부터 그 평균선의 방향으로 기준 길이 만큼을 제거하고, 이 제거 부분의 평균선으로부터 세로 배율의 방향으로 측정한, 가장 높은 산의 정점으로부터 5번째까지의 산의 정점의 표고(標高)(Yp)의 절대값의 평균값과, 가장 낮은 골의 저점으로부터 5번째까지의 골의 저점의 표고(Yv)의 절대값의 평균값과의 합을 구하고, 이 값을 마이크로미터(㎛)로 나타낸 것을 말한다(JIS B0601: 1994 참조).
다음에, 패턴 2에 대하여 설명한다.
(패턴 2: 거친 가공→연마 마무리 가공)
우선, 분말층에 광 비임(L)을 조사하여 얻어진 고화층(24)의 표면(도 5의 (a))을, 초음파 진동을 부여한 회전 절삭 공구(43)를 회전시켜 절삭 가공한다. 구체적으로는, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 회전 절삭 공구(43)의 연장 방향을 따른 방향(수직 방향)으로 초음파 진동시킨 회전 절삭 공구(43)를 회전시키는 것에 의해 고화층(24)의 표면을 거친 가공한다. 이어서, 도 5의 (c)에 도시하는 바와 같이, 축을 갖는 숫돌 공구(44)의 연장 방향에 대하여 수직인 방향(수평 방향)으로 초음파 진동시킨 축을 갖는 숫돌 공구(44)를 회전시키는 것에 의해 고화층(24)의 표면을 연마 마무리 가공한다. 또한, 연마 마무리 가공에서는, 축을 갖는 숫돌 공구(44)를 반드시 수평 방향으로 초음파 진동시키지 않아도 좋다. 또한, 본 명세서에서 말하는 "축을 갖는 숫돌 공구"란 선단부에 고화층 표면을 연마하기 위한 숫돌(연마 부재)을 구비한 공구를 가리킨다.
본 태양에서는, 첫째로 진동 방향을 수직 방향으로 설정하고 회전 절삭 공구(43)를 이용하여 "거친 가공"을 실행한 후에, 축을 갖는 숫돌 공구(44)를 이용하여 "연마 마무리 가공"을 실행하고 있다. 또한, 본 태양에서는, 둘째로 회전 절삭 공구(43)를 "수직 방향"으로 진동시킬 때의 진폭을, 축을 갖는 숫돌 공구(44)를 "수평 방향"으로 진동시킬 때의 진폭보다 크게 하고 있다. 이상에 의해, 본 태양에서는, 우선, "거친 가공"에서 회전 절삭 공구(43)와 고화층(24)의 표면의 사이의 "접촉" 개소가 상하로 어긋나도록 절삭 가공하고, 그에 의해 고화층의 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 작게 할 수 있다. 구체적으로는, "거친 가공"을 실시하는 것에 의해, 거친 가공한 부분의 표면 거칠기를, Rz: 5(5 포함하지 않고) 내지 10(10 포함하지 않고)㎛, 바람직하게는 5.5 내지 9.5㎛, 보다 바람직하게는 6.0 내지 9.0㎛, 더욱 바람직하게는 6.5 내지 8.5㎛로 할 수 있다. 이어서, "연마 마무리 가공"에서 축을 갖는 숫돌 공구(44)에 의해 고화층(24)의 표면의 거친 가공된 부분이 연마되는 것에 의해, 고화층의 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 더욱 작게 할 수 있다. 구체적으로는, 연마 마무리 가공한 부분의 표면 거칠기를, Rz: 1 내지 7㎛, 바람직하게는 2 내지 6㎛, 보다 바람직하게는 3 내지 5㎛, 더욱 바람직하게는 3.5 내지 4.5㎛로 할 수 있다.
마지막으로, 패턴 3에 대하여 설명한다.
(패턴 3: 거친 마무리→절삭 마무리 가공→연마 마무리 가공)
우선, 분말층에 광 비임(L)을 조사하여 얻어진 고화층(24)의 표면(도 6의 (a))을, 초음파 진동을 부여한 회전 절삭 공구(43)를 회전시켜 절삭 가공한다. 구체적으로는, 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같이, 회전 절삭 공구(43)의 연장 방향을 따른 방향(수직 방향)으로 초음파 진동시킨 회전 절삭 공구(43)를 회전시키는 것에 의해 고화층(24)의 표면을 거친 가공한다. 이어서, 도 6의 (c)에 도시하는 바와 같이, 회전 절삭 공구(43)의 연장 방향에 대하여 수직인 방향(수평 방향)으로 초음파 진동시킨 회전 절삭 공구(43)를 회전시키는 것에 의해 고화층(24)의 표면을 절삭 마무리 가공한다. 마지막으로, 도 6의 (d)에 도시하는 바와 같이, 축을 갖는 숫돌 공구(44)의 연장 방향에 대하여 수직인 방향(수평 방향)으로 초음파 진동시킨 축을 갖는 숫돌 공구(44)를 회전시키는 것에 의해 고화층(24)의 표면을 연마 마무리 가공한다. 또한, 연마 마무리 가공에서는, 축을 갖는 숫돌 공구(44)를 반드시 수평 방향으로 초음파 진동시키지 않아도 좋다.
본 태양에서는, 우선, "거친 가공"에서 회전 절삭 공구(43)와 고화층(24)의 표면의 사이의 "접촉" 개소가 상하로 어긋나도록 절삭 가공하고, 그에 의해 고화층의 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 작게 할 수 있다. 구체적으로는, "거친 가공"을 실시하는 것에 의해, 거친 가공한 부분의 표면 거칠기를, Rz: 5(5 포함하지 않고) 내지 10(10 포함하지 않고)㎛, 바람직하게는 5.5 내지 9.5㎛, 보다 바람직하게는 6.0 내지 9.0㎛, 더욱 바람직하게는 6.5 내지 8.5㎛로 할 수 있다. 이어서, "절삭 마무리 가공"에서 회전 절삭 공구(43)와 고화층(24)의 표면의 절삭 가공하는 부분과의 사이에 거친 가공 시보다 작은 진동 진폭으로 "접촉"과 "비접촉"이 보다 반복되어 실행되는 것에 의해, 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 보다 작게 할 수 있다. 구체적으로는, "거친 가공" 후에 "절삭 마무리 가공"을 실시하는 것에 의해, 절삭 마무리 가공한 부분의 표면 거칠기를, 절삭 마무리 가공한 부분의 표면 거칠기를, Rz: 2.5 내지 8.5㎛, 바람직하게는 3.5 내지 7.5㎛, 보다 바람직하게는 4.5 내지 6.5㎛, 더욱 바람직하게는 5.0 내지 6.0㎛로 할 수 있다. 이에 부가하여, 본 태양에서는, "연마 마무리 가공"에서 축을 갖는 숫돌 공구(44)에 의해 고화층(24)의 표면의 거친 가공된 부분이 연마되는 것에 의해, 절삭 마무리 가공한 부분의 표면 거칠기를 더욱 보다 작게 할 수 있다. 구체적으로는, "절삭 마무리 가공" 후에 "연마 마무리 가공"을 실시하는 것에 의해, 연마 마무리 가공한 부분의 표면 거칠기를, Rz: 1 내지 7㎛, 바람직하게는 2 내지 6㎛, 보다 바람직하게는 3 내지 5㎛, 보다 바람직하게는 3.5 내지 4.5㎛로 할 수 있다.
즉, 해당 패턴 3이 상기의 패턴 1, 2와 비교하여 고화층의 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 작게 할 수 있는 점에서 효과적이다.
또한, 패턴 3에서는, 도 6a의 (a)에 도시하는 바와 같이, 초음파 진동을 부여한 회전 절삭 공구(43)를 이용하여 고화층(24)의 표면을 1층마다 거친 가공, 절삭 마무리 가공한 후에 연마 마무리 가공을 실시하여도 좋다. 1층마다 고화층(24)의 거친 가공, 절삭 마무리 가공, 및 연마 마무리 가공을 실행하면, 고화층(24)의 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 보다 효과적으로 작게 할 수 있다. 또한, 도 6a의 (b)에 도시하는 바와 같이, 초음파 진동을 부여한 회전 절삭 공구(43)를 이용하여 고화층(24)의 표면을 1층마다 거친 가공한 후에, 거친 가공한 고화층(24)의 표면을 복수층 모아서 절삭 마무리 가공 및 연마 마무리 가공을 실시하여도 좋다. 즉, 고화층(24)의 표면의 표면 거칠기가 큰 상태에서는, 1층마다 소정의 표면 거칠기까지 작게 하는 절삭 가공(거친 가공)을 실행하고, 이어서, 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기가 소정의 값까지 작아지면, 복수층 모아서 해당 표면 거칠기를 더욱 작게 하는 절삭 마무리 가공 및 연마 마무리 가공을 실행한다. 이에 의해, 고화층(24)의 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 보다 효율적으로 작게 할 수 있다. 즉, 작업 효율을 높일 수 있다.
이상, "회전 절삭 공구"를 초음파 진동시켜 고화층 표면을 절삭 가공 처리하는 경우를 포함하는 3개의 패턴에 대하여 설명했다.
다음에, "회전 절삭 공구"가 아니고 "비회전 절삭 공구"를 절삭 가공 처리에 이용하는 절삭 공구로서 이용하는 태양에 대하여 설명한다.
이러한 태양에서는, 절삭 가공 처리에 이용하는 절삭 공구로서, 절삭 가공하는 부분이 회전 구동하지 않는 비회전 절삭 공구를 이용한다. 본 명세서에서 말하는 "비회전 절삭 공구"란, 절삭 가공 처리시에 회전 구동시키지 않고 사용하는 공구를 의미하고 있다. 구체적인 비회전 절삭 공구로서는, 예를 들면 헤일 가공(hale processing)용 공구(공구 재질: 다이아몬드 및/또는 초경재)를 예로 들 수 있다.
"비회전 절삭 공구"의 태양은, 절삭 공구를 회전 구동시키지 않고 절삭 가공 처리를 실행하는 태양인 바, 그 회전 구동시키지 않는 절삭 공구를 초음파 진동을 부여한다. 그에 의해서도, 절삭 가공하기 위한 절삭 공구와 고화층의 표면의 절삭 가공하는 부분의 사이에서 "접촉"과 "비접촉"이 반복되어 실행되고, 결과적으로 절삭 공구의 제품 수명을 보다 연장시킬 수 있다.
비회전 절삭 공구를 이용하는 경우, 절삭 공구를 초음파 진동을 부여하는 것이 바람직하다. 즉, 초음파 진동을 부여한 비회전 절삭 공구를 이용하여 고화층 표면의 절삭 가공하는 부분에 대하여 초음파 타원 진동이 제공되는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 비회전 절삭 공구(45)의 선단 부분에 마련한 팁부(46)로부터, 분말층에 광 비임(L)을 조사하여 얻어진 고화층(24)의 표면의 절삭 가공하는 부분에 대하여 초음파 타원 진동을 제공한다. 여기서 말하는 "초음파 타원 진동시킴"이란, 상기의 회전 절삭 공구를 이용하여 초음파 진동시킬 때의 진동 방향인 "수직 방향"과 "수평 방향"을 조합한 방향으로 진동시킨다는 사고 방식이다. 초음파 타원 진동의 진동 진폭으로서는, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 2 내지 15㎛, 보다 바람직하게는 3 내지 10㎛이다. 또한, 초음파 타원 진동의 진동수로서는, 20 내지 40㎑가 바람직하다. 일반적으로, 일 방향으로 초음파 진동시켜 절삭 가공하는 태양에서는, 절삭 부스러기는 공구 표면에서의 마찰력에 거슬러 압출되기 때문에, 절삭 저항이 증대되어, 가공 발열도 커진다. 이에 반하여, 초음파 타원 진동을 제공한 절삭 가공에서는, 공구 선단이 절삭 부스러기를 인출하는 방향으로 운동하기 때문에, 절삭 부스러기의 배출이 촉진된다. 그 때문에, 절삭력·공구 마모의 저감, 절삭 가공 정밀도의 향상, 및 절삭 공구의 절삭 부스러기의 혼입의 억제 효과를 향상시키는 이점이 있다.
이상, 절삭 공구를 초음파 진동을 부여한다는 기술적 사상에 근거하는 본 발명의 제 1 실시형태에 대하여 설명했다.
다음에, "조형 플레이트를 초음파 진동을 부여함"이라는 기술적 사상에 근거하는 본 발명의 제 2 실시형태에 대하여 설명한다.
[본 발명의 제 2 실시형태]
(조형 테이블의 초음파 진동)
본 발명의 제 2 실시형태에서는, 도 8에 도시하는 바와 같이 분말층 및 고화층(24)을 형성하기 위한 조형 테이블(20)(구체적으로는 조형 테이블(20) 상에 배치되는 조형 플레이트(21))을 초음파 진동을 부여하여, 고화층(24)의 표면의 절삭 가공 처리를 실행한다. 즉, 본 발명의 제 2 실시형태에서는, 조형 플레이트(21)로부터 고화층(24)의 표면의 절삭 가공하는 부분에 대하여 초음파 진동을 제공하고 고화층(24)의 표면의 절삭 가공 처리를 실행하는 것을 특징으로 한다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 진동자를 조형 플레이트(21) 또는 조형 테이블(20) 내에 마련하고, 해당 진동자로부터 초음파 진동을 수직 방향 또는 수평 방향으로 제공하는 것에 의해 조형 테이블(20)을 수직 방향 또는 수평 방향으로 초음파 진동시켜도 좋다. 조형 테이블(20)을 수직 방향으로 초음파 진동시키는 경우, 절삭 공구(40)와 고화층(24)의 표면의 사이의 "접촉" 개소가 상하로 어긋나도록 고화층(24)의 표면을 절삭 가공할 수 있으며 그에 의해 고화층의 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 작게 할 수 있다. 또한, 조형 테이블(20)을 수평 방향으로 초음파 진동시키는 경우, 절삭 공구(40)와 고화층(24)의 표면의 절삭하는 부분과의 사이에서의 "접촉"과 "비접촉"이 반복하여 실행되고, 그에 의해 고화층의 절삭 가공한 부분의 표면 거칠기를 작게 할 수 있다. 또한, 조형 테이블(20)의 측면은 벽(27)과 접하도록 배치되어 있는 것도 고려하여, 조형 테이블(20)을 수직 방향으로 초음파 진동 시키는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 삼차원 형상 조형물의 제조 방법에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 일 없이, 특허 청구의 범위에 규정되는 발명의 범위로부터 일탈하는 일 없이 여러 가지의 변경이 당업자에 의해 이루어진다고 볼 수 있다.
[실시예]
다음에, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
실시예 1
비교예 <초음파 진동 없음(절삭 가공)>
절삭 공구를 이용하여 홈부(오목부)가 형성된 고화층의 절삭 가공을 실행했다. 구체적으로는, 엔드 밀(R 0.3㎜(도 22), AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층의 홈부를 형성하는 표면의 절삭 가공을 실행했다. 절삭 가공한 부분의 확대 사진도를 도 9에 도시한다.
실시예 <초음파 진동 있음(절삭 가공→연마 가공)>
초음파 진동시킨 엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층의 홈부를 형성하는 표면의 절삭 가공을 실행하고, 이어서 절삭 가공을 실행한 면에 대하여 초음파 진동시킨 축을 갖는 숫돌 공구를 이용하여 연마 가공을 실행했다. 초음파 진동 조건으로 절삭 가공 및 연마 가공을 실행한 부분의 확대 사진도를 도 10에 나타낸다. 또한, 초음파 진동 조건으로서는, 회전수 6000min－1, 진동 진폭 30 내지 50㎛, 진동 수 40㎑, 진동 방향: 엔드 밀 연장 방향으로 했다.
(결과) 초음파 진동 조건으로 절삭 가공 및 연마 가공을 실행한 부분에는 거친면이 극히 적었다. 한편, 초음파 진동시키지 않고 절삭 가공을 실행한 부분에는 거친면이 현저하게 보였다.
실시예 2
비교예 <초음파 진동 없음(절삭 가공)>
엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면의 절삭 가공을 실행했다. 절삭 가공을 실행한 후(절삭 거리 100m)의 엔드 밀의 선단부의 마모 상태를 도 11에 나타낸다.
실시예 <초음파 진동 있음(절삭 가공)>
초음파 진동시킨 엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면의 절삭 가공을 실행했다. 초음파 진동 조건으로 절삭 가공을 실행한 후(절삭 거리 100m)의 엔드 밀의 선단부의 마모 상태를 도 12에 나타낸다. 또한, 초음파 진동 조건으로서는, 회전수 6000min－1, 진동 진폭 30 내지 50㎛, 진동수 40㎑, 진동 방향: 엔드 밀 연장 방향으로 했다.
(결과) 초음파 진동 조건으로 절삭 가공을 실행한 후의 엔드 밀의 선단부는 100m 절삭 후도 거의 마모되어 있지 않았다. 한편, 초음파 진동시키지 않고 절삭 가공을 실행한 후의 엔드 밀의 선단부는 100m 절삭 후 상당 정도 마모되어 있었다.
실시예 3
비교예 <초음파 진동 없음(절삭 가공)>
엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공한 경우의 절삭 거리에 대한 엔드 밀의 선단부의 마모량을 조사했다. 그 결과를 도 13에 나타낸다.
실시예 <초음파 진동 있음(절삭 가공)>
초음파 진동시킨 엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공한 경우의 절삭 거리에 대한 엔드 밀의 선단부의 마모량을 조사했다. 그 결과를 도 13에 나타낸다. 또한, 초음파 진동 조건으로서는, 회전수 6000min－1, 진동 진폭 30 내지 50㎛, 진동수 40㎑, 진동 방향: 엔드 밀 연장 방향으로 했다.
(결과) 도 13에 나타내는 바와 같이, 초음파 진동시킨 엔드 밀을 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공한 경우, 절삭 거리가 약 800m가 되어도 엔드 밀의 선단부의 마모량은 20㎛ 이하이며, 엔드 밀의 선단부는 거의 마모되어 있지 않았다. 이에 반하여, 초음파 진동시키지 않고 엔드 밀을 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공한 경우, 절삭 거리가 600m 이하에서는 엔드 밀의 선단부의 마모량은 약 70㎛인 것에 반하여, 절삭 거리가 600m를 초과하면 엔드 밀의 선단부의 마모량이 급격하게 증가하여 절삭 거리가 약 800m에서는 약 180㎛가 되었다.
실시예 4
비교예 <초음파 진동 없음(절삭 가공)>
엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면의 절삭 가공을 실행했다. 절삭 가공을 실행한 후(절삭 거리 100m)의 절삭 부스러기의 확대 사진도를 도 14에 나타낸다.
실시예 <초음파 진동 있음(절삭 가공)>
초음파 진동시킨 엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면의 절삭 가공을 실행했다. 초음파 진동 조건으로 절삭 가공을 실행한 후(절삭 거리 100m)의 절삭 부스러기의 확대 사진도를 도 15에 나타낸다. 또한, 초음파 진동 조건으로서는, 회전수 6000min－1, 진동 진폭 30 내지 50㎛, 진동 수 40㎑, 진동 방향: 엔드 밀 연장 방향으로 했다.
(결과) 초음파 진동 조건으로 절삭 가공을 실행한 후의 절삭 부스러기(도 15)는, 초음파 진동시키지 않고 절삭 가공을 실행한 후의 절삭 부스러기보다 초음파 진동에 기인하여 미세하게 되어 있었다. 이 때의 초음파 진동 조건으로 절삭 가공을 실행한 후의 절삭 부스러기는 엔드 밀이 해당 절삭 부스러기를 혼입하는 정도의 사이즈는 아니었다.
실시예 5
비교예 <초음파 진동 없음(절삭 가공)>
엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공한 경우의 절삭 거리에 대한 엔드 밀의 절삭 저항을 조사했다. 그 결과를 도 16에 나타낸다.
실시예 <초음파 진동 있음(절삭 가공)>
초음파 진동시킨 엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공한 경우의 절삭 거리에 대한 엔드 밀의 절삭 저항을 조사했다. 그 결과를 도 16에 나타낸다. 또한, 초음파 진동 조건으로서는, 회전수 6000min－1, 진동 진폭 30 내지 50㎛, 진동수 40㎑, 진동 방향: 엔드 밀 연장 방향으로 했다.
(결과) 도 16에 나타내는 바와 같이, 초음파 진동시킨 엔드 밀을 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공한 경우, 절삭 거리가 약 800m가 되어도 엔드 밀의 절삭 저항은 약 4N 내지 약 12N이었다. 이에 반하여, 초음파 진동시키지 않고 엔드 밀을 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공한 경우, 절삭 거리가 약 350m 이하에서는 엔드 밀의 절삭 저항은 약 15N인 것에 반하여, 절삭 거리가 약 350m를 초과하면 엔드 밀의 절삭 저항이 급격하게 증가하여 절삭 거리가 약 400m에서는 약 30N이 되었다.
실시예 6
비교예 <초음파 진동 없음(절삭 가공)>
엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공한 경우의 버어 발생 상황을 조사했다. 그 결과를 도 17에 나타낸다.
실시예 <초음파 진동 있음(절삭 가공)>
초음파 진동시킨 엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면을 절삭 가공한 경우의 버어 발생 상황을 조사했다. 그 결과를 도 18에 나타낸다. 또한, 초음파 진동 조건으로서는, 회전수 6000min－1, 진동 진폭 30 내지 50㎛, 진동수 40㎑, 진동 방향: 엔드 밀 연장 방향으로 했다.
(결과) 도 18에 나타내는 바와 같이 초음파 진동 조건으로 절삭 가공을 실행한 경우, 버어의 발생이 억제되어 있는 것을 알 수 있었다. 한편, 도 17에 나타내는 바와 같이 초음파 진동시키지 않고 절삭 가공을 실행한 경우, 버어가 발생하고 있는 것을 알 수 있었다.
실시예 7
비교예 <초음파 진동 없음(절삭 가공)>
엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면의 절삭 가공을 실행했다. 절삭 가공한 부분의 확대 사진도를 도 19에 나타낸다.
실시예 <초음파 진동 있음(절삭 가공→연마 가공)>
초음파 진동시킨 엔드 밀(R 0.3㎜, AlTiN 코팅 있음)을 이용하여 고화층 표면의 절삭 가공을 실행하고, 이어서, 절삭 가공을 실행한 면에 대하여 초음파 진동시킨 축을 갖는 숫돌 공구를 이용하여 연마 가공을 실행했다. 초음파 진동 조건으로 절삭 가공 및 연마 가공을 실행한 부분의 확대 사진도를 도 20에 나타낸다. 또한, 초음파 진동 조건으로서는, 회전수 6000min－1, 진동 진폭 30 내지 50㎛, 진동수 40㎑, 진동 방향: 엔드 밀 연장 방향으로 했다.
(결과) 초음파 진동 조건으로 절삭 가공 및 연마 가공을 실행한 부분의 표면 거칠기는 Rz: 3 내지 5㎛였다. 한편, 초음파 진동시키지 않고 절삭 가공을 실행한 부분의 표면 거칠기는 Rz: 10 내지 30㎛였다.
또한, 상술과 같은 본 발명은, 다음의 바람직한 태양을 포함하고 있다.
제 1 태양:
(ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 해당 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ⅱ) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 해당 새로운 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 추가로 고화층을 형성하는 공정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복하여 실행하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법에 있어서,
상기 고화층의 표면에 대하여 절삭 가공 처리를 실시하고 있으며, 해당 절삭 가공 처리를 초음파 진동 조건으로 실행하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 2 태양:
상기 제 1 태양에 있어서, 상기 초음파 진동 조건으로서, 상기 절삭 가공 처리에 이용하는 절삭 공구를 초음파 진동을 부여하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 3 태양:
상기 제 1 태양 또는 제 2 태양에 있어서, 상기 분말층 및 상기 고화층을 조형 테이블 상에서 형성하고 있으며, 상기 초음파 진동 조건으로서, 상기 조형 테이블을 초음파 진동을 부여하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 4 태양:
상기 제 2 태양 또는 제 3 태양에 있어서, 상기 절삭 공구로서 회전 절삭 공구를 이용하고, 해당 회전 절삭 공구를 회전시키면서 상기 초음파 진동을 부여하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 5 태양:
상기 제 4 태양에 있어서, 상기 절삭 가공 처리에 있어서 상기 회전 절삭 공구의 진동 방향을 수직 방향과 수평 방향의 사이에서 전환하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 6 태양:
상기 제 5 태양에 있어서, 상기 회전 절삭 공구를 상기 수직 방향으로 진동시킬 때의 진폭을, 해당 회전 절삭 공구를 상기 수평 방향으로 진동시킬 때의 진폭보다 크게 하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 7 태양:
상기 제 1 태양 내지 제 6 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 절삭 가공 처리로서, 거친 가공 및 마무리 가공 중 적어도 2단계의 절삭 가공을 실행하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 8 태양:
상기 제 7 태양에 있어서, 상기 마무리 가공으로서, 상기 회전 절삭 공구를 이용하는 절삭 마무리, 축을 갖는 숫돌 공구를 이용하는 연마 마무리, 및, 해당 절삭 마무리와 해당 연마 마무리의 조합 중 어느 하나를 실시하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 9 태양:
상기 제 5 태양 또는 제 6 태양에 종속되는 제 7 태양에 있어서, 상기 회전 절삭 공구를 상기 수직 방향으로 진동시키는 것에 의해 상기 거친 가공을 실행한 후, 해당 회전 절삭 공구를 상기 수평 방향으로 진동시키는 것에 의해 상기 마무리 가공을 실행하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 10 태양:
상기 제 1 태양 내지 제 3 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 절삭 가공 처리에 이용하는 절삭 공구로서, 비회전 절삭 공구를 이용하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 11 태양:
상기 제 10 태양에 있어서, 상기 비회전 절삭 공구를 이용하여 초음파 타원 진동을 부여하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
산업상의 이용 가능성
본 발명의 일 실시형태에 따른 삼차원 형상 조형물의 제조 방법을 실시하는 것에 의해, 여러 가지의 물품을 제조할 수 있다. 예를 들면, "분말층이 무기질의 금속 분말층이며, 고화층이 소결층이 되는 경우"에서는, 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 플라스틱 사출 성형용 금형, 프레스 금형, 다이캐스팅 금형, 주조 금형, 단조 금형 등의 금형으로서 이용할 수 있다. 한편, "분말층이 유기질의 수지 분말층이며, 고화층이 경화층이 되는 경우"에서는, 얻어지는 삼차원 형상 조형물을 수지 성형품으로서 이용할 수 있다.
관련 출원의 상호 참조
본 출원은, 일본 특허 출원 제 2015-127888 호(출원일: 2015년 6월 25일, 발명의 명칭: 삼차원 형상 조형물의 제조 방법)에 근거하는 파리 조약상의 우선권을 주장한다. 해당 출원에 개시된 내용은 전부, 이 인용에 의해, 본 명세서에 포함되어야 한다.
22: 분말층
L: 광 비임
24: 고화층
40: 절삭 공구(엔드 밀)
20: 조형 테이블
43: 회전 절삭 공구
44: 축을 갖는 숫돌 공구
45: 비회전 절삭 공구

Claims (11)

  1. (ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
    (ⅱ) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광 비임을 조사하여 추가로 고화층을 형성하는 공정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복하여 실행하는 삼차원 형상 조형물의 제조 방법에 있어서,
    상기 고화층의 표면에 대하여 절삭 가공 처리를 실시하고 있으며, 상기 절삭 가공 처리를 초음파 진동 조건으로 실행하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 진동 조건으로서, 상기 절삭 가공 처리에 이용하는 절삭 공구를 초음파 진동을 부여하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분말층 및 상기 고화층을 조형 테이블 상에서 형성하고 있으며,
    상기 초음파 진동 조건으로서, 상기 조형 테이블을 초음파 진동을 부여하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 절삭 공구로서 회전 절삭 공구를 이용하여, 상기 회전 절삭 공구를 회전시키면서 상기 초음파 진동을 부여하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 절삭 가공 처리에 있어서 상기 회전 절삭 공구의 진동 방향을 수직 방향과 수평 방향의 사이에서 전환하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 회전 절삭 공구를 상기 수직 방향으로 진동시킬 때의 진폭을, 상기 회전 절삭 공구를 상기 수평 방향으로 진동시킬 때의 진폭보다 크게 하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절삭 가공 처리로서, 거친 가공 및 마무리 가공의 적어도 2단계의 절삭 가공을 실행하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 마무리 가공으로서, 상기 회전 절삭 공구를 이용하는 절삭 마무리, 축을 갖는 숫돌 공구를 이용하는 연마 마무리, 및 상기 절삭 마무리와 상기 연마 마무리의 조합 중 어느 하나를 실시하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
  9. 제 5 항에 종속되는 제 7 항에 있어서,
    상기 회전 절삭 공구를 상기 수직 방향으로 진동시키는 것에 의해 상기 거친 가공을 실행한 후, 상기 회전 절삭 공구를 상기 수평 방향으로 진동시키는 것에 의해 상기 마무리 가공을 실행하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 절삭 가공 처리에 이용하는 절삭 공구로서, 비회전 절삭 공구를 이용하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 비회전 절삭 공구를 이용하여 초음파 타원 진동을 부여하는 것을 특징으로 하는
    삼차원 형상 조형물의 제조 방법.
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