KR20180091083A - 금속 분말, 적층 조형물의 제조방법 및 적층 조형물 - Google Patents

금속 분말, 적층 조형물의 제조방법 및 적층 조형물 Download PDF

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요시토 니시자와
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모토노리 니시다
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Abstract

본 발명말은 적층 조형용 금속 분말로, 알루미늄 0.2질량% 이상 1.3질량% 이하를 포함하며, 나머지는 구리 및 불가피한 불순물을 포함하는 적층 조형용 금속 분말이다.

Description

금속 분말, 적층 조형물의 제조방법 및 적층 조형물
본 발명은 금속 분말, 적층 조형물의 제조방법 및 적층 조형물에 관한 것이다.
일본 공개특허공보 제2011-021218호(특허문헌 1)에는 금속 분말을 대상으로 한 레이저 적층 조형 장치(이른바 "3D 프린터")가 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 제2011-021218호
금속 제품의 가공 기술로서, 금속 분말을 대상으로 한 적층 조형법이 주목을 받고 있다. 이러한 방법의 이점은 절삭 가공으로는 불가능했던 복잡한 형상의 창제가 가능한 데 있다. 지금까지 철계 합금 분말, 알루미늄 합금 분말, 티타늄 합금 분말 등을 이용한 적층 조형물의 제작예가 보고되어 있다. 그러나 현재로는 사용 가능한 금속종이 한정되어 적용 가능한 금속 제품에도 일정한 제한이 있다.
본 발명의 목적은 구리 합금으로 구성되며, 기계 강도 및 도전율을 양립할 수 있는 적층 조형용 금속 분말, 적층 조형물의 제조방법 및 적층 조형물을 제공하는 것이다.
(1) 금속 분말은 적층 조형용 금속 분말이다. 상기 금속 분말은 알루미늄 0.2질량% 이상 1.3질량% 이하 포함하고, 나머지가 구리 및 불가피 불순물을 포함한다.
(2) 적층 조형물의 제조방법은 위 (1)의 금속 분말을 포함하는 분말층을 형성하는 제1 공정; 및 상기 분말층에 있어서 소정 위치의 상기 금속 분말을 고화(固化)시킴으로써 조형층을 형성하는 제2 공정;을 포함한다. 이 제조방법에서는 제1 공정과 제2 공정을 순차 반복하여 조형층을 적층함으로써 적층 조형물을 제조한다.
(3) 상기 (2)의 적층 조형물의 제조방법은 적층 조형물을 열처리하는 공정을 더 포함해도 된다.
(4) 적층 조형물은 구리 합금으로 구성된 적층 조형물이다. 알루미늄 0.2질량% 내지 1.3질량%를 포함하고, 나머지는 구리 및 불가피한 불순물을 포함하며, 이론 밀도에 대한 상대 밀도가 96% 내지 100% 이하이고, 도전율이 30% IACS 이상인 구리 합금을 포함하는 적층 조형물이다.
(5) 상기 (4)의 적층 조형물에서 도전율이 50% IACS 이상이어도 된다.
상기에 따르면, 구리 합금으로 구성되며 기계 강도 및 도전율을 양립할 수 있는 적층 조형물이 제공된다.
도 1은 본 실시형태의 적층 조형물의 제조방법의 개략을 나타낸 플로우 차트이다.
도 2는 STL 데이터의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 3은 슬라이스 데이터의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 4는 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제1 개략도이다.
도 5는 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제2 개략도이다.
도 6은 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제3 개략도이다.
도 7은 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제4 개략도이다.
도 8은 인장 시험에 사용되는 시험편을 나타낸 평면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태(이하 "본 실시형태"라고 함)에 대해 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 본 발명자가 본 실시형태에 이르게 된 경위를 설명한다.
기계 강도 및 도전율을 필요로 하는 기계 부품에는 구리가 많이 사용되고 있다. 그러한 기계 부품으로는 예를 들면 용접 토치, 배전 설비 부품 등을 들 수 있다. 본 발명자는 순동(純銅)의 지금(地金)을 아토마이즈 가공함으로써 구리 분말을 얻고, 이것을 이용해서 적층 조형물 제작을 시도하였다. 그러나 이러한 방법으로는 원하는 적층 조형물이 얻어지지 않았다. 구체적으로, 조형물은 다수의 공극을 가지고 있고 원재(元材)에 대해 밀도가 대폭으로 저하되어 있었다. 또한 도전율도 원재에 대해 큰 폭으로 저하되어 있었다. 밀도가 저하되면 당연히 기계 강도도 저하된다고 생각된다. 본 발명자는 각종 조건을 변경하여 물성 개선을 시도하였다. 그러나 순동을 이용하는 한, 조건을 고정해도 최종 물성이 안정되지 않아 기계 강도 및 도전율을 양립할 수는 없었다.
이에 본 발명자는 구리 합금에 대해 검토하였다. 그 결과, 특정 합금 조성을 갖는 구리 합금 분말을 이용함으로써 적층 조형물에 있어서 기계 강도 및 도전율을 양립할 수 있음이 발견되었다.
여기서 "기계 강도 및 도전율을 양립할 수 있다"란, 적층 조형물이 다음 (a)~(c)의 조건을 모두 만족하는 것을 말한다.
(a) 인장 강도가 대략 130MPa 이상이다. 이로 인해, 순동으로서의 무산소 구리(JIS 합금 번호: C1020) 지금의 인장 강도의 값에 대체로 근접하므로, 다양한 용도로 사용 가능할 것으로 전망된다. 바람직하게는 인장 강도가 대략 195MPa 이상이다. 이로써 무산소 구리의 지금의 인장 강도와 동등 이상이 된다.
인장 강도는 다음 절차를 통해 측정한다. 측정에는 "JIS B 7721: 인장 시험기·압축 시험기 - 힘 계측계의 교정방법 및 검증방법"에 근거한 등급 1급 이상의 인장 시험 장치를 사용한다. 먼저, 시험 대상이 될 적층 조형물로서 덤벨형상 시험편(20)을 제조한다. 덤벨형상 시험편(20)은 도 8에 도시한 바와 같이 원기둥형상 평행부(21); 이 평행부(21)의 양단에서 넓어지는 테이퍼형상 어깨부(23); 및 이 어깨부(23)에 연장되며, 인장 시험 장치의 그립핑(gripping) 장치 또는 지그에 잡히는 부위가 되는 원기둥형상 그립부(22)로 이루어진 덤벨 모양의 형상을 가지고 있다.
다음으로, 이러한 덤벨형상 시험편(20)을 상기 인장 시험 장치를 이용해서 2mm/min의 속도로 파단될 때까지 잡아당긴다. 이때, 그립핑 장치 또는 지그에는 덤벨형상 시험편(20)의 형상에 적합한 것을 이용한다. 또한 덤벨형상 시험편(20)의 축방향으로 힘이 가해지도록 조정한다. 파단될 때까지 나타나는 최대 인장 응력을 측정한다. 최대 인장 응력을 평행부(21)의 단면적으로 나눔으로써 인장 강도를 산출한다. 평행부(21)의 단면적은 9.616㎟(=π×3.5mm×3.5mm÷4)이다. 한편, 도 8에 도시한 덤벨형상 시험편(20)의 각 부분의 치수는 다음과 같다.
덤벨형상 시험편(20)의 전체 길이(L0): 36mm
평행부(21)의 길이(L1): 18±0.5mm
평행부(21)의 직경(D1): 3.5±0.05mm
어깨부(23)의 반경(R): 10mm
그립부(22)의 길이(L2): 4.0mm
그립부(22)의 직경(D2): 6.0mm.
(b) 이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상이다. 여기서 합금의 이론밀도는 그 합금과 동일한 조성을 갖는 용제재(溶製材)의 밀도로 나타낸다. 이론밀도에 대한 상대밀도는 적층 조형물의 실측밀도를 합금의 이론밀도로 나눈 값의 백분율로 나타낸다. 따라서 상대밀도의 상한은 100%가 된다.
(c) 소둔 표준 연동(International Annealed Copper Standard: IACS)의 도전율을 100% IACS로 해서 정의되는 도전율이 30% IACS 이상이다. 또한 도전율은 바람직하게는 50% IACS 이상이어도 된다.
[금속 분말]
본 실시형태의 금속 분말은 적층 조형용 금속 분말이다. 금속 분말은 통상적인 2차원 프린터의 토너, 잉크에 해당한다. 금속 분말은 알루미늄(Al)을 0.2질량% 이상 1.3질량% 이하로 포함하고, 나머지는 구리(Cu) 및 불가피한 불순물을 포함한다. 금속 분말에서 Cu 함유량은 예를 들면 98.7질량% 이상이어도 되고, 99.8질량% 이하여도 된다.
금속 분말에서 Cu 함유량은 "JIS H 1051: 구리 및 구리 합금 중 구리 정량방법"에 준거한 방법으로 측정할 수 있다. Al 함유량은 "JIS H 1057: 구리 및 구리 합금 중 알루미늄 정량방법"에 준거한 ICP 발광 분석법으로 측정할 수 있다. 금속 분말에서 Al의 함유량 상한은 1.3질량%여도 된다. 이 함유량의 하한은 0.23질량%여도 된다.
금속 분말은 Al 외에 불순물 원소를 함유하는 경우가 있다. 불순물 원소는 제조시에 불가피하게 혼입된 원소(불가피 불순물)이다. 따라서, 본 실시형태의 금속 분말은 나머지가 Cu 및 불가피한 불순물을 포함한다. 불순물 원소로는 예를 들면 산소(O), 인(P) 등을 들 수 있다. 불순물 원소의 함유량은 예를 들면 0.1질량% 미만이어도 되고, 0.05질량% 미만이어도 된다.
본 실시형태의 금속 분말에는 예를 들면 이하에 제시하는 알루미늄 함유 구리 합금 분말이 포함된다.
(알루미늄 함유 구리 합금 분말)
알루미늄 함유 구리 합금 분말은 Al을 0.2질량% 이상 1.3질량% 이하로 포함하고, 나머지는 Cu 및 불가피한 불순물을 포함한다. 이러한 화학 조성을 갖는 구리 합금 분말에 따르면, 적층 조형물에 있어서 특히 기계 강도 및 도전율의 양립을 도모할 수 있다. Al 함유량이 0.2질량% 미만이 되면, 순동(무산소 구리)의 분말의 성질에 가까워진다. 즉, 이것을 이용해서 적층 조형물 제작을 시도하면 조형물이 다수의 공극을 가지며, 무산소 구리의 지금에 비해 밀도가 대폭으로 저하되고 도전율도 무산소 구리의 지금에 비해 대폭으로 저하하게 된다. Al 함유량이 1.3질량%를 넘으면 도전율 30% IACS 이상을 확보할 수 없게 될 우려가 있다.
알루미늄 함유 구리 합금 분말에서 Al 함유량은 예를 들면 0.23질량% 이상 1.3질량% 이하여도 된다. 이 범위에서 기계 강도와 도전율의 균형이 양호해지는 일도 있다.
(입도 분포)
금속 분말의 입도 분포는 분말 제조 조건, 분급, 체로 거르기 등에 의해 적절히 조정된다. 금속 분말의 평-균 입경은 적층 조형물을 제조할 때의 적층 피치에 맞춰 조정해도 된다. 금속 분말의 평균 입경은 예를 들면 100~200㎛ 정도여도 되고, 50~100㎛ 정도여도 되고, 5~50㎛ 정도여도 된다. 여기서 본 명세서의 평균 입경은 레이저 회절·산란법으로 측정된 입도 분포에서 적산값 50%에서의 입경(이른바 "d50")을 나타내는 것으로 한다. 금속 분말에서 입자 형상은 특별히 한정되지 않는다. 입자 형상은 예를 들면 대략 구(球)형상이어도 되고, 불규칙 형상이어도 된다.
(금속 분말의 제조방법)
본 실시형태의 금속 분말은 예를 들면 가스 아토마이즈법 또는 워터 아토마이즈법으로 제조된다. 즉 턴디시(tundish)의 바닥부에서 용융 상태의 합금 성분을 낙하시키면서 고압 가스 또는 고압수와 접촉시켜, 합금 성분을 급랭 응고시킴으로써 합금 성분을 분말화한다. 이 외에, 예를 들면 플라즈마 아토마이즈법, 원심력 아토마이즈법 등으로 금속 분말을 제조해도 된다. 이러한 제조방법들로 얻어진 금속 분말을 이용함으로써 치밀한 적층 조형물이 얻어지는 추세이다.
[적층 조형물의 제조방법]
다음으로, 상기의 금속 분말을 이용한 적층 조형물의 제조방법에 대해 설명한다. 여기서는 금속 분말을 고화시키는 수단으로서, 분말상(powder bed) 용융 결합법 중 레이저를 이용하는 양태를 설명한다. 그러나 상기 수단은 금속 분말의 고화가 가능한 한, 레이저에 한정되지 않는다. 상기 수단은 예를 들면 전자 빔, 플라즈마 등이어도 된다. 본 실시형태에서는 분말상 용융 결합법 이외의 부가 제조 법(Additive Manufacturing: AM)을 이용해도 된다. 예를 들어 본 실시형태에서는 지향성 에너지 퇴적법을 이용할 수도 있다. 또한 본 실시형태에서는 조형 중에 절삭 가공을 실시해도 된다.
도 1은 본 실시형태의 적층 조형물의 제조방법의 개략을 나타낸 플로우 차트이다. 상기 제조방법은 데이터 처리 공정(S10)과 조형 공정(S20)을 구비한다. 상기 제조방법은 조형 공정(S20) 후에 열처리 공정(S30)을 구비해도 된다. 조형 공정(S20)은 제1 공정(S21)과 제2 공정(S22)을 포함한다. 상기 제조방법에서는 제1 공정(S21)과 제2 공정(S22)을 순차 반복함으로써 적층 조형물을 제조한다. 이하, 도 1~도 7을 참조하면서 상기 제조방법을 설명한다.
1. 데이터 처리 공정(S10)
먼저, 3D-CAD 등에 의해 3차원 형상 데이터가 작성된다. 3차원 형상 데이터는 STL 데이터로 변환된다. 도 2는 STL 데이터의 일례를 나타낸 개략도이다. STL 데이터(10d)에서는 예를 들면 유한 요소법에 의한 요소 분할(메쉬화)이 이루어진다.
STL 데이터로부터 슬라이스 데이터가 작성된다. 도 3은 슬라이스 데이터의 일례를 나타낸 개략도이다. STL 데이터는 제1 조형층(p1)~제n 조형층(pn)의 n층으로 분할된다. 슬라이스 두께(d)는 예를 들면 10~150㎛ 정도이다. 슬라이스 두께(d)는 예를 들면 10~50㎛ 정도여도 된다.
2. 조형 공정(S20)
이어서, 슬라이스 데이터에 기초하여 적층 조형물이 조형된다. 도 4는 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제1 개략도이다. 도 4에 도시된 레이저 적층 조형장치(100)는 피스톤(101); 피스톤(101)에 지지된 테이블(102); 및 금속 분말을 고화시키는 레이저광의 출력부가 되는 레이저 출력부(103);를 구비한다. 이후의 공정은 조형물의 산화를 억제하기 위해, 예를 들면 불활성 가스 분위기에서 이루어진다. 불활성 가스는 예를 들면 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He) 등이어도 된다. 또는 불활성 가스 대신에, 예를 들면 수소(H2) 등의 환원성 가스를 이용해도 된다. 또한 진공 펌프 등을 이용해서 감압 분위기로 해도 된다.
피스톤(101)은 테이블(102)을 승강할 수 있도록 구성되어 있다. 테이블(102) 상에 적층 조형물이 조형된다.
2-1. 제1 공정(S21)
제1 공정(S21)에서는 금속 분말을 포함하는 분말층이 형성된다. 슬라이스 데이터에 기초하여 피스톤(101)은 테이블(102)을 1층분만큼 강하시킨다. 테이블(102) 상에 1층분의 금속 분말이 깔린다. 이로써 금속 분말을 포함하는 제1 분말층(1)이 형성된다. 제1 분말층(1)의 표면은 도시하지 않은 스퀴징 블레이드 등에 의해 평활화된다. 분말층은 금속 분말 외에 레이저 흡수제(예를 들면 수지 분말) 등을 포함해도 된다. 또한 분말층은 실질적으로 금속 분말만으로 형성되는 경우도 있다.
2-2. 제2 공정(S22)
도 5는 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제2 개략도이다. 제2 공정(S22)에서는 적층 조형물의 일부가 될 조형층이 형성된다.
레이저 출력부(103)는 슬라이스 데이터에 기초하여 제1 분말층(1)의 소정 위치에 레이저광을 조사한다. 레이저광의 조사에 앞서 미리 분말층을 가열해 두어도 된다. 레이저광이 조사된 금속 분말은 용융 및 소결을 거쳐 고화된다. 이처럼 제1 분말층(1)에서 소정 위치의 금속 분말을 고화시킴으로써 제1 조형층(p1)이 형성된다.
본 실시형태의 레이저 출력부에는 범용 레이저 장치를 채용할 수 있다. 레이저광의 광원에는 예를 들면 파이버 레이저, YAG 레이저, CO2 레이저, 반도체 레이저 등이 이용된다. 레이저광의 출력은 예를 들면 100~1000W 정도여도 되고, 200~500W 정도여도 되고, 350~450W 정도여도 된다. 레이저광의 주사 속도는 예를 들면 100~1000mm/s의 범위 내에서 조정해도 되고, 200~600mm/s의 범위 내에서 조정해도 된다. 또한 레이저광의 에너지 밀도는 예를 들면 100~1000J/㎣의 범위 내에서 조정해도 된다.
여기서 레이저광의 에너지 밀도는 아래 식(I):
E=P÷(v×s×d) …(I)
으로 산출되는 값으로 나타낸다. 식(I) 중 E는 레이저광의 에너지 밀도[단위:J/㎣]를, P는 레이저의 출력[단위:W]을, v는 주사 속도[단위:mm/s]를, s는 주사 폭[단위:mm]을, d는 슬라이스 두께[단위:mm]를 각각 나타낸다.
도 6은 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제3 개략도이다. 도 6에 도시된 바와 같이 제1 조형층(p1)이 형성된 후, 피스톤(101)은 테이블(102)을 1층분만큼 더 강하시킨다. 그 후 상기와 마찬가지로 제2 분말층(2)이 형성되고, 슬라이스 데이터에 기초하여 제2 조형층(p2)이 형성된다. 이후, 제1 공정(S21)과 제2 공정(S22)을 반복한다. 도 7은 적층 조형물의 제조 과정을 도해한 제4 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 마지막으로 제n 조형층(pn)이 형성되고 적층 조형물(10)이 완성된다.
3. 제3 공정(S30)
그 후 적층 조형물을 열처리하는 것이 바람직하다. 즉, 적층 조형물은 조형 후에 열처리가 실시되는 것이 바람직하다. 열처리에 의해 적층 조형물의 기계적 성질 및 도전율의 향상을 기대할 수 있다. 열처리시의 분위기는 예를 들면 질소, 대기, 아르곤, 수소, 진공 등의 분위기여도 된다. 열처리 온도는 예를 들면 300℃ 이상 400℃ 이하여도 된다. 열처리 시간은 예를 들면 2시간 이상 4시간 이하여도 된다.
[적층 조형물]
다음으로, 상기 제조방법에 의해서 얻어진 적층 조형물에 대해 설명한다. 적층 조형물은 절삭 가공으로는 실현할 수 없는 복잡한 형상을 가질 수 있다. 또한 본 실시형태의 적층 조형물은 기계 강도 및 도전율을 양립할 수 있다. 본 실시형태의 적층 조형물은 일례로서 플라즈마 토치에 적용할 수 있다.
원료로 본 실시형태의 금속 분말을 사용했을 경우, 적층 조형물은 다음 구성을 구비할 수 있다.
즉, 본 실시형태의 적층 조형물은 특정 구리 합금으로 구성되는 적층 조형물이다. 상기 구리 합금은 Al을 0.2질량% 이상 1.3질량% 이하로 포함하고, 나머지는 Cu 및 불가피한 불순물을 포함한다. 금속 분말과 마찬가지로 나머지는 불가피한 불순물을 포함한다. 이 적층 조형물에서는 이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상 100% 이하이며, 또한 도전율이 30% IACS 이상이다.
구리 합금에서 Al의 함유량 상한은 1.3질량%일 수 있다. 이 함유량의 하한은 0.23질량%일 수 있다.
적층 조형물의 밀도는 예를 들면 아르키메데스법으로 측정할 수 있다. 아르키메데스법에 의한 밀도 측정은 "JIS Z 2501: 소결 금속 재료 - 밀도, 함유율(含油率) 및 개방 기공률 시험방법"에 준거하여 실시할 수 있다. 액체로는 물을 사용하할 수 있다.
이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상이면 실용상 견딜 수 있는 기계 강도를 기대할 수 있다. 상대밀도는 높을수록 바람직하다. 적층 조형물의 상대밀도는 96.5% 이상이어도 되고, 97.0% 이상이어도 되고, 97.5% 이상이어도 되고, 98.0% 이상이어도 되고, 98.5% 이상이어도 되고, 99.0% 이상이어도 된다.
도전율은 시판되는 와류식 도전율계로 측정할 수 있다. 도전율도 높을수록 바람직하다. 적층 조형물의 도전율은 30% IACS 이상이어도 되고, 40% IACS 이상이어도 되고, 50% IACS 이상이어도 된다.
(알루미늄 함유 구리 합금으로 구성되는 적층 조형물)
원료로 본 실시형태의 알루미늄 함유 구리 합금 분말을 사용했을 경우, 적층 조형물은 다음 구성을 구비할 수 있다.
즉, 적층 조형물은 특정한 알루미늄 함유 구리 합금으로 구성되는 적층 조형물이다. 상기 알루미늄 함유 구리 합금은 Al을 0.2질량% 이상 1.3질량% 이하로 포함하고, 나머지는 Cu 및 불가피한 불순물을 포함한다. 금속 분말과 마찬가지로 나머지는 불가피 불순물을 포함할 수 있다. 이 적층 조형물에서는 알루미늄 함유 구리 합금의 이론밀도에 대한 상대밀도가 96% 이상 100% 이하이고, 또한 도전율이 30% IACS 이상이다. 이 적층 조형물에서 예를 들어 Al 함유량이 0.23질량% 이상 1.3질량% 이하일 경우, 96.0% 이상의 상대밀도에 근거한 기계 강도와, 30% IACS 이상(바람직하게는 50% IACS 이상)의 도전율의 양립을 기대할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 이용해서 본 실시형태를 설명하지만, 본 실시형태는 이에 한정되는 것은 아니다.
1. 금속 분말의 준비
표 1에 나타낸 화학 성분을 갖는 금속 분말 E1, E2, E3, E4, X 및 Y를 준비하였다.
Figure pct00001
이 금속 분말들은 소정의 아토마이즈법으로 제조하였다. 금속 분말 E1, E2, E3 및 E4는 실시예에 해당한다. 금속 분말 E1, E2, E3 및 E4의 Cu 함유량은 "JIS H 1051: 구리 및 구리 합금 중 구리 정량방법"에 준거한 구리 전해 중량법(질산·황산법)으로 측정하였다. 금속 분말 E1, E2, E3 및 E4의 Al 함유량은 "JIS H 1057: 구리 및 구리 합금 중 알루미늄 정량방법"에 준거한 ICP 발광 분석법으로 측정하였다. 금속 분말 E1, E2, E3 및 E4의 불가피 불순물 함유량은, 산소량은 "JIS Z 2613: 불활성 가스 융해 적외선 흡수법"으로, 인 양은 "JIS H 1058: 흡광 광도법"으로 각각 측정하였다.
금속 분말 X는 시판 순동(이른바 "무산소 구리")의 지금(JIS 합금 번호: C1020)을 원료로 하였다. 금속 분말 Y는 시판 구리 합금(제품명 "AMPCO940")의 지금을 원료로 하였다. 금속 분말 X 및 Y는 비교예에 해당한다.
2. 레이저 적층 조형장치
이하 사양의 레이저 적층 조형장치를 준비하였다.
레이저: 파이버 레이저, 최대 출력 400W
스폿 직경: 0.05~0.20mm
주사 속도: ~7000mm/s
적층 피치: 0.02~0.08mm
조형 사이즈: 250mm×250mm×280mm.
3. 적층 조형물의 제조
상기 장치를 이용해서 원기둥형상의 적층 조형물(직경 14mm×높이 15mm)을 제조하였다.
3-1. 순동 분말(금속 분말 X)
도 1에 도시한 플로우의 조형 공정(S20)을 따라, 금속 분말을 포함하는 분말층을 형성하는 제1 공정(S21)과, 분말층의 소정 위치에 레이저광을 조사하여 금속 분말을 고화시킴으로써 조형층을 형성하는 제2 공정(S22)을 순차 반복하였다. 이에 따라, 시판 순동의 지금을 원료로 한 순동 분말(금속 분말 X)에 기초해서 No.X-1~40에 따른 적층 조형물을 제조하였다.
각 적층 조형물의 제조 조건, 각 적층 조형물의 전술한 방법에 기초해서 측정한 상대밀도, 인장 강도 및 도전율 수치를 표 2 및 표 3에 나타낸다. 또한 No.X-41~42로 해서 별도로, 도 8에 도시한 덤벨형상 시험편(20)을 적층 조형물로 제조하여, 상기 시험편에서 인장 강도를 전술한 방법에 기초해서 측정하였기에 이를 표 3에 나타낸다.
Figure pct00002
Figure pct00003
표 2 및 표 3에서 알 수 있듯이, 순동 분말(금속 분말 X)을 이용한 적층 조형물에서는 조건을 고정해도 최종 물성의 편차가 매우 크다. 표 2에서 "측정 불가"는 공극이 너무 많기 때문에 아르키메데스법으로는 신뢰성이 높은 밀도를 측정할 수 없었던 것을 나타낸다. 시판 순동의 지금의 도전율은 100% IACS 정도로 생각해도 된다. 이에 반해 금속 분말 X를 이용한 적층 조형물에서는 도전율이 대폭으로 저하되어 있다. 또한 금속 분말 X를 이용한 적층 조형물에서는 인장 강도의 값도 시판 순동의 지금의 인장 강도(대략 195MPa)에 비해 큰 폭으로 저하되어 있다. 이러한 결과들로부터, 무산소 구리의 지금을 원료로 한 순동 분말의 경우 실용적인 기계 부품 제조는 곤란한다고 할 수 있다.
3-2. 구리 합금 분말(금속 분말 Y)
도 1에 도시한 플로우의 조형 공정(S20)을 따라, 금속 분말을 포함하는 분말층을 형성하는 제1 공정(S21)과, 분말층의 소정 위치에 레이저광을 조사하여 금속 분말을 고화시킴으로써 조형층을 형성하는 제2 공정(S22)을 순차 반복하였다. 이에 따라, 시판 구리 합금(제품명 "AMPCO940")의 지금을 원료로 한 구리 합금 분말(금속 분말 Y)에 기초해서, No.Y-1~7에 따른 적층 조형물을 제조하였다.
각 적층 조형물의 제조 조건, 각 적층 조형물의 전술한 방법에 기초해서 측정한 상대밀도 및 도전율 수치를 표 4에 나타낸다.
Figure pct00004
표 4에서 알 수 있듯이, 구리 합금 분말(금속 분말 Y)을 이용한 적층 조형물에서는 금속 분말 X를 이용한 적층 조형물에 비해 높은 상대밀도를 실현할 수 있었다. 그러나 도전율은 원재(45.5% IACS 정도)에 비해 대폭으로 저하되었다. 이러한 결과들로부터, 본 발명과 상이한 조성을 갖는 구리 합금 분말의 경우도 실용적인 기계 부품 제조는 곤란하다고 할 수 있다.
3-3. 알루미늄 함유 구리 합금 분말(금속 분말 E1, E2, E3 및 E4)
3-3-1. Al=0.23질량%(금속 분말 E1)
도 1에 도시한 플로우의 조형 공정(S20)을 따라, 금속 분말을 포함하는 분말층을 형성하는 제1 공정(S21)과, 분말층의 소정 위치에 레이저광을 조사하여 금속 분말을 고화시킴으로써 조형층을 형성하는 제2 공정(S22)을 순차 반복하였다. 이에 따라, 알루미늄을 0.23질량% 함유한 구리 합금 분말(금속 분말 E1)에 기초해서 No.E1-1~9에 따른 적층 조형물을 제조하였다.
각 적층 조형물의 제조 조건, 각 적층 조형물의 전술한 방법에 기초해서 측정한 상대밀도, 인장 강도 및 도전율 수치를 표 5에 나타낸다. 또한 No.E1-10~11로 해서 별도로, 도 8에 도시한 덤벨형상 시험편(20)을 적층 조형물로 제조하여 상기 시험편에서 인장 강도를 측정하였다.
Figure pct00005
표 5에서 알 수 있듯이, 알루미늄을 0.23질량% 함유한 구리 합금 분말(금속 분말 E1)을 이용한 적층 조형물에서는 표 2 및 표 3의 순동 분말(금속 분말 X)을 이용한 적층 조형물에 비해, 최종 물성의 편차를 억제할 수 있었으며 상대밀도가 96%를 넘는 치밀함을 실현할 수 있었다. 또한 이들 적층 조형물에서는 인장 강도도 양호하고, 53% IACS를 넘는 도전율과 기계 강도를 양립할 수 있었다. 따라서 알루미늄을 0.23질량% 함유한 구리 합금 분말은 도전율과 기계 강도를 양립할 수 있는 뛰어난 구리 합금 분말임을 알 수 있었다.
3-3-2. Al=0.58질량%(금속 분말 E2)
도 1에 도시한 플로우의 조형 공정(S20)을 따라, 금속 분말을 포함하는 분말층을 형성하는 제1 공정(S21)과, 분말층의 소정 위치에 레이저광을 조사하여 금속 분말을 고화시킴으로써 조형층을 형성하는 제2 공정(S22)을 순차 반복하였다. 이에 따라, 알루미늄을 0.58질량% 함유한 구리 합금 분말(금속 분말 E2)에 기초해서 No.E2-1~15에 따른 적층 조형물을 제조하였다.
각 적층 조형물의 제조 조건, 각 적층 조형물의 전술한 방법에 기초해서 측정한 상대밀도, 인장 강도 및 도전율 수치를 표 6에 나타낸다. 또한 No.E2-16~19로 해서 별도로, 도 8에 도시한 덤벨형상 시험편(20)을 적층 조형물로 제조하여 상기 시험편에서 인장 강도를 측정하였다.
Figure pct00006
표 6에서 알 수 있듯이 알루미늄을 0.58질량% 함유한 구리 합금 분말(금속 분말 E2)을 이용한 적층 조형물에서는 표 2 및 표 3의 순동 분말(금속 분말 X)을 이용한 적층 조형물에 비해, 최종 물성의 편차를 억제할 수 있었으며 상대밀도가 96%를 넘는 치밀함을 실현할 수 있었다. 이들 적층 조형물에서는 47% IACS를 넘고, 바람직하게는 50% IACS를 넘는 도전율을 얻을 수 있었다. 또한 인장 강도도 대략 219MPa 이상이어서, 무산소 구리의 지금의 인장 강도와 동등 이상이었다. 따라서 알루미늄을 0.58질량% 함유한 구리 합금 분말도 도전율과 기계 강도를 양립할 수 있는 뛰어난 구리 합금 분말임을 알 수 있었다.
3-3-3. Al=0.81질량%(금속 분말 E3)
도 1에 도시한 플로우의 조형 공정(S20)을 따라, 금속 분말을 포함하는 분말층을 형성하는 제1 공정(S21)과, 분말층의 소정 위치에 레이저광을 조사하여 금속 분말을 고화시킴으로써 조형층을 형성하는 제2 공정(S22)을 순차 반복하였다. 이에 따라, 알루미늄을 0.81질량% 함유한 구리 합금 분말(금속 분말 E3)에 기초해서 No.E3-1~6에 따른 적층 조형물을 제조하였다.
각 적층 조형물의 제조 조건, 각 적층 조형물의 전술한 방법에 기초해서 측정한 상대밀도, 인장 강도 및 도전율 수치를 표 7에 나타낸다. 또한 No.E3-7~8로 해서 별도로, 도 8에 도시한 덤벨형상 시험편(20)을 적층 조형물로 제조하여 상기 시험편에서 인장 강도를 측정하였다.
Figure pct00007
표 7에서 알 수 있듯이 알루미늄을 0.81질량% 함유한 구리 합금 분말(금속 분말 E3)을 이용한 적층 조형물에서는 표 2 및 표 3의 순동 분말(금속 분말 X)을 이용한 적층 조형물에 비해, 최종 물성의 편차를 억제할 수 있었으며 상대밀도가 97%를 넘는 치밀함을 실현할 수 있었다. 이들 적층 조형물에서는 43% IACS를 넘어, 바람직하게는 45% IACS를 넘는 도전율을 얻을 수 있었다. 또한 인장 강도도 대략 226MPa 이상이어서, 무산소 구리 지금의 인장 강도 이상이었다. 따라서 알루미늄을 0.81질량% 함유한 구리 합금 분말도 도전율과 기계 강도를 양립할 수 있는 뛰어난 구리 합금 분말임을 알 수 있었다.
3-3-4. Al=1.3질량%(금속 분말 E4)
도 1에 도시한 플로우의 조형 공정(S20)을 따라, 금속 분말을 포함하는 분말층을 형성하는 제1 공정(S21)과, 분말층의 소정 위치에 레이저광을 조사하여 금속 분말을 고화시킴으로써 조형층을 형성하는 제2 공정(S22)을 순차 반복하였다. 이에 따라, 알루미늄을 1.3질량% 함유한 구리 합금 분말(금속 분말 E4)에 기초해서 No.E4-1~6에 따른 적층 조형물을 제조하였다.
각 적층 조형물의 제조 조건, 각 적층 조형물의 전술한 방법에 기초해서 측정한 상대밀도, 인장 강도 및 도전율 수치를 표 8에 나타낸다. 또한 No.E4-7~8로 해서 별도로, 도 8에 도시한 덤벨형상 시험편(20)을 적층 조형물로 제조하여 상기 시험편에서 인장 강도를 측정하였다.
Figure pct00008
표 8에서 알 수 있듯이 알루미늄을 1.3질량% 함유한 구리 합금 분말(금속 분말 E4)을 이용한 적층 조형물에서는 표 2 및 표 3의 순동 분말(금속 분말 X)을 이용한 적층 조형물에 비해, 최종 물성의 편차를 억제할 수 있었으며 상대밀도가 97%를 넘는 치밀함을 실현할 수 있었다. 이들 적층 조형물에서는 34% IACS를 넘어, 바람직하게는 35% IACS를 넘는 도전율을 얻을 수 있었다. 또한 인장 강도도 대략 241MPa 이상이어서, 무산소 구리 지금의 인장 강도 이상이었다. 따라서 알루미늄을 1.3질량% 함유한 구리 합금 분말도 도전율과 기계 강도를 양립할 수 있는 뛰어난 구리 합금 분말임을 알 수 있었다.
한편, 알루미늄을 0.2질량% 미만 함유한 구리 합금 분말의 경우, 순동 분말의 성질에 가깝다. 그렇기 때문에 이를 이용해서 제작한 적층 조형물은 다수의 공극을 가지며, 순동의 지금에 비해 밀도 및 인장 강도가 모두 크게 저하되는 기계 강도를 나타내고 도전율도 순동의 지금에 비해 대폭 저하된다. 또한 알루미늄을 1.3질량% 초과해서 함유한 구리 합금 분말의 경우, 도전율에서 30% IACS 이상을 확보하지 못할 우려가 생긴다. 따라서 알루미늄을 0.2질량% 이상 1.3질량% 이하 함유하고 나머지는 구리 및 불가피한 불순물을 포함하는 구리 합금 분말(금속 분말)로 하고, 이를 이용해서 적층 조형물 제작을 시도하면 도전율과 기계 강도를 양립할 수 있는 가장 바람직한 적층 조형물을 얻을 수 있다.
이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 제시되며 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1: 제1 분말층
2: 제2 분말층
10: 적층 조형물
10d: STL 데이터
20: 덤벨형상 시험편
21: 평행부
22: 그립부
23: 어깨부
100: 레이저 적층 조형 장치
101: 피스톤
102: 테이블
103: 레이저 출력부
D1,D2: 직경
L0: 전체 길이
L1,L2: 길이
R: 반경
d: 두께
p1: 제1 조형층
p2: 제2 조형층
pn: 제n 조형층

Claims (5)

  1. 알루미늄 0.2질량%이상 1.3질량%이하를 포함하며,
    나머지는 구리 및 불가피한 불순물을 포함하는 적층 조형용 금속 분말.
  2. 청구항 1의 금속 분말을 포함하는 분말층을 형성하는 제1 공정; 및
    상기 분말층 소정의 위치에 상기 금속 분말을 고화시킴으로써 조형층을 형성하는 제2 공정;을 포함하고,
    상기 제1 공정과 상기 제2 공정을 순차 반복하여 상기 조형층을 적층함으로써 적층 조형물을 제조하는 적층 조형물의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 적층 조형물을 열처리하는 공정을 더 포함하는, 적층 조형물의 제조방법.
  4. 알루미늄 0.2질량% 내지 1.3질량%를 포함하고, 나머지는 구리 및 불가피한 불순물을 포함하며,
    이론 밀도에 대한 상대 밀도가 96% 내지 100% 이하이고,
    도전율이 30% IACS 이상인 구리 합금을 포함하는 적층 조형물.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 도전율이 50% IACS 이상인 적층 조형물.
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