KR20180049284A - 발포금속 제조방법 및 이에 의해 제조된 발포금속 - Google Patents

발포금속 제조방법 및 이에 의해 제조된 발포금속 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 발포금속 제조방법은, 금속분말을 공급하는 (a)단계, 상기 금속분말에 발포제를 선택적인 비율로 혼합하는 (b)단계 및 상기 금속분말과 상기 발포제의 혼합물질을 처리영역에 공급하며 레이저를 조사하여 기공이 형성된 금속층을 형성하는 (c)단계를 포함하여, 상기 금속분말에 대한 상기 발포제의 비율에 따라 제조될 발포금속의 기공률을 조절하도록 한다.
또한 본 발명의 또 다른 발포금속 제조방법은, 금속분말을 공급하는 (a)단계, 상기 금속분말에 발포제를 혼합하는 (b)단계 및 상기 금속분말과 상기 발포제의 혼합물질을 처리영역에 공급하며 레이저를 조사하여 기공이 형성된 금속층을 형성하는 (c)단계를 포함하며, 상기 (c)단계는, 기 설정된 간격을 가지는 복수의 적층라인이 하나의 금속층을 형성하도록 하되, 상기 복수의 적층라인 간의 간격을 조절하여 상기 금속층의 기공률을 조절하도록 한다.

Description

발포금속 제조방법 및 이에 의해 제조된 발포금속{Manufacturing Method of Metal Foam and Metal Foam Manufactured by the Same}
본 발명은 발포금속 제조방법 및 이에 의해 제조된 발포금속에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제조된 발포금속의 기공률을 용이하게 제어할 수 있도록 하는 발포금속 제조방법 및 이에 의해 제조된 발포금속에 관한 것이다.
일반적으로 발포금속은 일반적인 금속의 특성을 그대로 가지고 있으면서도, 중량이 동 부피 대비 가볍다는 특징을 가진다.
이에 따라 상기 발포금속은 저탄성률을 활용하는 임플란트용 생체재료, 미세먼지 필터경량성과 고비강도를 활용하는 구조재료, 에너지 흡수능을 활용하는 방음재료, 방진재료, 충격흡수재료, 낮은 열전도율을 활용하는 단열재료, 보온재료, 미세기공을 활용하는 필터재료, 반응표면적을 활용하는 전극재료, 촉매담체, 유체에 의한 열전달능력을 활용하는 열교환기 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
이와 같은 발포금속은 일반적으로 대량의 금속용탕에 발포제를 투입하여 혼합하고, 이를 경화시킨 뒤 원하는 크기로 커팅하는 방법으로 제조된다.
다만, 이와 같은 제조 방식은 발포금속의 기공률을 원하는 대로 조절하기 어려운 것은 물론, 기공률을 균일하게 분포시키기가 매우 어렵다는 문제가 있다.
특히 일부 영역은 기공을 가지고, 다른 영역은 기공을 가지지 않는 형태 등과 같이 기공률이 영역 별로 다른 제품을 제작하기 위해서는 각 영역을 별도로 제작하여 용접을 수행하는 방법을 사용할 수밖에 없었다.
뿐만 아니라 필수적으로 커팅 과정을 거쳐야 하므로 공정 수가 늘어나게 되며, 또한 커팅 과정에 따라 분진이 발생되어 투입 재료 대비 수득률이 떨어지게 되는 문제가 있다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
한국공개특허 제10-2010-0099539호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 발포금속의 기공률을 용이하게 제어할 수 있도록 하는 것은 물론, 발포금속의 제조 수율을 향상시킬 수 있도록 하는 발포금속 제조방법을 제공하기 위한 목적을 가진다.
또한 제조된 발포금속의 다양한 특성을 보다 향상시킬 수 있도록 하는 발포금속 제조방법을 제공하기 위한 목적을 가진다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발포금속 제조방법은, 금속분말을 공급하는 (a)단계, 상기 금속분말에 발포제를 선택적인 비율로 혼합하는 (b)단계 및 상기 금속분말과 상기 발포제의 혼합물질을 처리영역에 공급하며 레이저를 조사하여 기공이 형성된 금속층을 형성하는 (c)단계를 포함하여, 상기 금속분말에 대한 상기 발포제의 비율에 따라 제조될 발포금속의 기공률을 조절하도록 한다.
그리고 상기 (c)단계를 복수 회 반복하여, 복수의 금속층을 적층하는 (d)단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 (b)단계는, 상기 금속분말에 대한 상기 발포제의 비율을 실시간으로 제어하여 제조될 발포금속의 영역 별 기공률을 조절하도록 하는 발포금속 제조방법.
그리고 본 발명의 또 다른 발포금속 제조방법은, 금속분말을 공급하는 (a)단계, 상기 금속분말에 발포제를 혼합하는 (b)단계 및 상기 금속분말과 상기 발포제의 혼합물질을 처리영역에 공급하며 레이저를 조사하여 기공이 형성된 금속층을 형성하는 (c)단계를 포함하며, 상기 (c)단계는, 기 설정된 간격을 가지는 복수의 적층라인이 하나의 금속층을 형성하도록 하되, 상기 복수의 적층라인 간의 간격을 조절하여 상기 금속층의 기공률을 조절하도록 한다.
또한 상기 (c)단계를 복수 회 반복하여, 복수의 금속층을 적층하는 (d)단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 (d)단계는, 서로 인접한 한 쌍의 금속층 간의 적층라인이 서로 교차되도록 할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 발포금속 제조방법 및 이에 의해 제조된 발포금속은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 금속재료 내에 마이크로 스케일 또는 매크로 스케일의 기공을 형성하여, 발포금속의 저탄성률을 가지며 방음성, 방진성, 완충성, 단열성 등을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
둘째, 발포금속의 기공률을 용이하게 조절할 수 있도록 하여 원하는 형상 및 특성을 얻을 수 있는 장점이 있다.
셋째, 발포금속의 제조 수율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
넷째, 영역 별로 서로 기공률이 다른 발포금속을 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발포금속 제조방법에 사용되는 레이저 적층장치의 모습을 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포금속 제조방법에 있어서, 레이저를 통해 금속층을 적층하는 모습을 나타낸 도면;
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포금속 제조방법에 있어서, 각 금속층을 형성하는 적층라인의 형성 과정을 나타낸 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포금속 제조방법에 의해 제조된 발포금속의 모습을 나타낸 도면;
도 6은 발포제 함량 및 적층라인의 적층 간격의 변화에 따른 발포금속의 모습을 나타낸 도면;
도 7은 다양한 실험 조건에 따른 적층 실험을 위한 실험장비를 나타낸 도면;
도 8 내지 도 10은 은 금속분말의 종류에 따른 적층 실험 결과를 나타낸 도면; 및
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발포금속 제조방법을 통해 제작된 제품의 예시를 나타난 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발포금속 제조방법에 사용되는 레이저 적층장치(100)의 모습을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 발포금속 제조방법에 사용되는 레이저 적층장치(100)는 레이저 조사유닛(110)과, 금속분말 공급유닛(130)과, 발포제 공급유닛(140)을 포함한다.
상기 레이저 조사유닛(110)은 상기 금속분말 공급유닛(130)으로부터 공급되는 금속분말과 상기 발포제 공급유닛(140)으로부터 공급되는 발포제의 혼합물질에 노즐(112)을 통해 레이저를 조사하여 소결시키는 구성요소이다.
특히 본 실시예에서 상기 레이저 조사유닛(110)은 DED(Direct Energy Deposition)기법 적용을 위한 레이저 조사장치인 것으로 하였다. 상기 DED기법은 3D프린팅 기법 중 하나로서, 특성 소재를 공급하며 레이저를 조사하여 해당 소재의 적층을 수행할 수 있도록 한다.
또한 상기 레이저 조사유닛(110)의 내부에는 혼합유로(120)가 형성되며, 상기 혼합유로(120)는 상기 레이저 조사유닛(110) 내에서 금속분말공급유로(122a) 및 발포제공급유로(122b)로 분지될 수 있다.
그리고 상기 금속분말공급유로(122a)는 상기 금속분말 공급유닛(130)과 연결되고, 상기 발포제공급유로(122b)는 상기 발포제 공급유닛(140)과 연결된다.
이에 따라 상기 금속분말공급유로(122a)에 수용된 금속분말은 상기 금속분말공급유로(122a)를 통해 상기 혼합유로(120)로 공급되며, 상기 발포제 공급유닛(140)에 수용된 발포제는 상기 발포제공급유로(122b)를 통해 상기 혼합유로(120)로 공급될 수 있다.
즉 상기 금속분말공급유로(122a)를 통해 공급된 금속분말 및 상기 발포제공급유로(122b)를 통해 공급된 발포제는 상기 혼합유로(120)에서 혼합되어 발포금속의 제조를 위한 스테이지에 공급된다.
이때 본 실시예에 따른 레이저 적층장치(100)는 상기 금속분말과 상기 발포제의 공급량을 독립적으로 제어할 수 있도록 형성되며, 따라서 상기 금속분말 및 상기 발포제의 혼합 비율을 조절할 수 있다.
이하에서는, 이와 같은 레이저 적층장치(100)를 통한 발포금속 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 발포금속 제조방법은, 금속분말을 공급하는 (a)단계와, 상기 금속분말에 발포제를 혼합하는 (b)단계와, 상기 금속분말과 상기 발포제의 혼합물질을 처리영역에 공급하며 레이저를 조사하여 기공이 형성된 금속층을 형성하는 (c)단계를 포함한다.
특히 상기 (c)단계의 경우, 상기 금속층을 형성하는 과정을 복수 회 반복하여, 복수의 금속층을 적층하는 것으로 할 수 있다. 이에 따라 제조될 발포금속은 복수의 금속층을 포함할 수 있으며, 상기 금속층의 면적 및 적층 개수에 따라 발포금속의 전체 부피가 정해질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 (a)단계의 경우 전술한 레이저 적층장치(100)의 상기 금속분말공급유로(122a)를 통해 금속분말을 혼합유로(120)로 공급하며, 상기 (b)단계의 경우 상기 발포제공급유로(122b)를 통해 발포제를 상기 혼합유로(120)에 공급하여 상기 금속분말과 혼합하게 된다.
이때 상기 (a)단계 및 상기 (b)단계는 서로 동시에 수행될 수도 있으며, 또는 서로 시간 차를 두고 수행될 수도 있다.
그리고 상기 (c)단계의 경우 상기 혼합유로(120)에서 혼합된 금속분말과 발포제의 혼합물질을 스테이지 상에 공급하며, 노즐(112)을 통해 레이저를 상기 공급된 혼합물질에 조사하여 소결시키게 된다.
한편 본 발명의 경우, 두 가지의 방법을 통해 발포금속의 기공률을 제어할 수 있다.
첫 번째 방법은 상기 (b)단계에서, 상기 금속분말에 대한 상기 발포제의 비율을 선택적으로 혼합하여 제조될 발포금속의 기공률을 조절하도록 하는 방법이다.
또한 두 번째 방법의 경우, 기 설정된 간격을 가지는 복수의 적층라인이 하나의 금속층을 형성하도록 하되, 상기 복수의 적층라인 간의 간격을 조절하여 상기 금속층의 기공률을 조절하도록 하는 방법이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 적층장치(100)를 통해 상기 (a)단계 내지 상기 (c)단계를 수행하여 하나의 금속층을 형성하는 과정을 (d)단계를 통해 반복하여 복수의 금속층(12)을 형성할 수 있다. 이에 따라 n개의 금속층(12)을 가지는 발포금속(10)이 제조된다.
이때 전술한 바와 같이 상기 (b)단계에서, 상기 금속분말에 대한 상기 발포제의 비율을 선택적으로 혼합하여 제조될 발포금속의 기공률을 조절할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 방법을 통해, 종래 대량의 금속용탕에 발포제를 투입하여 혼합하는 방식에 비해 발포금속의 기공률을 용이하게 조절할 수 있도록 하며, 원하는 형상 및 특성을 얻을 수 있게 된다.
특히 상기 (b)단계에서, 상기 금속분말에 대한 상기 발포제의 비율을 실시간으로 제어하여 제조될 발포금속의 영역 별 기공률을 조절할 수 있다. 즉 상기 발포금속은 전체 부피에 걸쳐 균일한 기공률을 가질 수도 있으며, 영역 별로 의도된 기공률을 가지도록 제조될 수도 있다.
뿐만 아니라 발포금속을 원하는 부피로 제조할 수 있으므로, 커팅에 의해 분진 형태로 재료가 유실되는 것을 전면적으로 방지할 수 있어 투입 재료 대비 제품의 수득량을 향상시킬 수 있다.
특히 이와 같이 발포제 함량의 조절에 따라 기공을 형성하는 경우에는, 기공의 크기가 마이크로(Micro) 스케일 단위로 형성될 수 있다.
그리고 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기 설정된 간격을 가지는 복수의 적층라인이 하나의 금속층(12)을 형성하도록 하되, 상기 복수의 적층라인 간의 간격을 조절하여 해당 금속층(12)의 기공률을 조절하도록 할 수도 있다.
이때 상기 복수의 적층라인 간의 간격은 양의 수일 수도 있으며, 또는 음의 수일 수도 있다. 상기 복수의 적층라인 간의 간격이 양의 수를 가지는 경우, 각 적층라인은 서로 이격되도록 형성될 것이며, 상기 복수의 적층라인 간의 간격(d1)이 양의 수를 가지는 경우, 각 적층라인은 서로 일부 영역을 공유하도록 겹치는 형태로 형성될 것이다.
또한 본 실시예의 경우, 서로 인접한 한 쌍의 금속층(12) 간의 적층라인이 서로 교차되도록 할 수 있다. 예컨대 본 실시예의 경우, 도 3에 도시된 제1금속층(12a)과 도 4에 도시된 제2금속층(12b)이 서로 인접한 형태이며, 상기 제1금속층(12a)의 적층라인과 상기 제2금속층(12b)의 적층라인은 서로 수직하게 교차되는 형태로 형성된다.
이때 상기 제1금속층(12a)의 각 적층라인 간 간격(d1)과 상기 제2금속층(12b)의 각 적층라인 간 간격(d2)은 서로 동일하게 형성될 수도 있으며, 또는 설정에 따라 서로 상이하게 형성될 수도 있다.
특히 이와 같이 각 적층라인 간 간격의 조절에 따라 기공을 형성하는 경우에는, 기공의 크기가 매크로(Macro) 스케일 단위로 형성될 수 있다.
즉 본 발명은 전술한 두 가지의 방법을 통해 마이크로 스케일 및 매크로 스케일의 기공률을 제어할 수 있게 된다. 이때 전술한 두 가지 방법 중 어느 한 방법만이 사용될 수도 있으며, 또는 두 가지 방법이 모두 사용될 수 있음은 물론이다.
상기와 같은 과정을 통해, 도 5에 도시된 바와 같이 복수의 금속층(12)을 가지는 발포금속(10)이 제조된다.
도 6은 발포제 함량 및 적층라인의 적층 간격의 변화에 따른 발포금속의 모습을 나타낸 도면이다.
도 6의 상단부에는 발포제 함량에 따라 마이크로 스케일의 발포량이 5%인 발포금속들이 도시되며, 도 6의 하단부에는 발포제 함량에 따라 마이크로 스케일의 발포량이 10%인 발포금속들이 도시된다. 또한 도 6의 좌측에서부터 우측으로 진행될수록 각 적층라인의 간격이 점차 감소된다.
도시된 바와 같이, 발포제 함량이 5%인 발포금속에 비해 발포제 함량이 10%인 발포금속의 기공률이 보다 높은 것을 육안으로 확인할 수 있으며, 또한 각 적층라인의 간격이 감소됨에 따라 마이크로 스케일의 기공이 형성되는 경향을 가짐을 확인할 수 있다.
그리고 도 7은 다양한 실험 조건에 따른 적층 실험을 위한 실험장비를 나타낸 도면이다. 본 실험에서는, 베이스(1) 상에 금속시편(5)을 거치한 뒤, 레이저의 출력량, 레이저의 조사 높이, 금속시편(5)의 종류 등 다양한 실험 조건에 따라 발포금속의 제조 실험을 수행하였다.
도 8 및 도 9의 상단부에는 Ti64+TiH2 조성을 가지는 금속시편에 대한 실험결과가 도시되며, 도 8의 하단부에는 Ti64+ZrH2 조성을 가지는 금속시편에 대한 실험결과가 도시된다. 또한 도 8의 좌측에서부터 우측으로 진행될수록 레이저의 출력량을 증가시켰다.
먼저 도 8에 도시된 바와 같이, Ti64+TiH2 조성을 가지는 금속시편이 Ti64+ZrH2 조성을 가지는 금속시편에 비해 발포량이 커 시편의 최종 높이가 보다 높이 형성된 것을 확인할 수 있으며, 또한 레이저의 출력량을 증가시킬수록 시편의 최종 높이가 보다 높이 형성된 것을 확인할 수 있다.
또한 도 9의 경우 OM촬영 영상을 나타낸 것이며, 이를 통해 레이저의 출력량에 따라 기포 크기와 개수가 변화하는 것을 명확하게 확인할 수 있다.
그리고 도 10의 상단부에는 레이저의 조사 높이에 따른 실험결과가 도시되며, 도 10의 하단부에는 레이저 조사 높이를 동일하게 설정한 상태에서 레이저의 출력량에 따른 실험결과가 도시된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 레이저의 조사 높이가 높아질수록 발포량이 커 시편의 최종 높이가 보다 높이 형성된 것을 확인할 수 있으며, 또한 동일한 레이저 조사 높이에서는 레이저의 출력량을 증가시킬수록 시편의 최종 높이가 보다 높이 형성된 것을 확인할 수 있다.
그리고 도 11에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 발포금속 제조방법을 통해 제작된 제품의 예시가 도시된다.
도 11에 도시된 제품은 실린더(50)로서, 외부하우징(52)의 경우 기공이 형성되지 않은 형태를 가지며, 인서트(54)는 기공을 가지도록 형성된다.
이는 상기 외부하우징(52)을 적층하는 과정 중 발포제의 공급을 중단하여 금속분말에 혼합되지 않도록 하고, 상기 인서트(54)를 적층하는 과정에서 발포제를 공급하여 금속분말에 혼합함으로써 제작될 수 있다.
이와 같이, 본원발명은 영역 별로 서로 기공률이 상이한 제품을 용이하게 제작할 수 있어, 용접 등과 같은 후작업을 수행할 필요가 없다는 장점이 있다.
또힌 이와 같은 본원발명은 인공뼈 등과 같이 외부와 내부의 기공률이 상이하게 이루어지는 다양한 분야에 활용될 수 있을 것이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 발포금속 12: 금속층
100: 레이저 적층장치 110: 레이저 조사유닛
112: 노즐 120: 혼합유로
122a: 금속분말공급유로 122b: 발포제공급유로
130: 금속분말 공급유닛 140: 발포제 공급유닛

Claims (7)

  1. 금속분말을 공급하는 (a)단계;
    상기 금속분말에 발포제를 선택적인 비율로 혼합하는 (b)단계; 및
    상기 금속분말과 상기 발포제의 혼합물질을 처리영역에 공급하며 레이저를 조사하여 기공이 형성된 금속층을 형성하는 (c)단계;
    를 포함하여,
    상기 금속분말에 대한 상기 발포제의 비율에 따라 제조될 발포금속의 기공률을 조절하도록 하는 발포금속 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계를 복수 회 반복하여, 복수의 금속층을 적층하는 (d)단계를 더 포함하는 발포금속 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 금속분말에 대한 상기 발포제의 비율을 실시간으로 제어하여 제조될 발포금속의 영역 별 기공률을 조절하도록 하는 발포금속 제조방법.
  4. 금속분말을 공급하는 (a)단계;
    상기 금속분말에 발포제를 혼합하는 (b)단계; 및
    상기 금속분말과 상기 발포제의 혼합물질을 처리영역에 공급하며 레이저를 조사하여 기공이 형성된 금속층을 형성하는 (c)단계;
    를 포함하며,
    상기 (c)단계는,
    기 설정된 간격을 가지는 복수의 적층라인이 하나의 금속층을 형성하도록 하되, 상기 복수의 적층라인 간의 간격을 조절하여 상기 금속층의 기공률을 조절하도록 하는 발포금속 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (c)단계를 복수 회 반복하여, 복수의 금속층을 적층하는 (d)단계를 더 포함하는 발포금속 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (d)단계는,
    서로 인접한 한 쌍의 금속층 간의 적층라인이 서로 교차되도록 하는 발포금속 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 발포금속 제조방법에 의해 제조된 발포금속.
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