KR20190060543A - 금속 제품의 적층 제조에 이용되는 금속 분말 시트를 제조하는 장치 및 방법 - Google Patents

금속 제품의 적층 제조에 이용되는 금속 분말 시트를 제조하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 제품의 적층 제조에 이용되는 금속 분말 시트를 제조하는 제조 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 제조 장치는, 금속 제품의 재료가 되는 금속 분말을 수용하고 수용된 금속 분말을 배출하는 배출구가 마련되는 분말 수용부; 분말 수용부의 하측에 배치되어 분말 수용부의 배출구로부터 배출되는 금속 분말을 시트 형상으로 압연하여 연속되는 금속 분말 시트를 형성하는 분말 압연부; 및 금속 분말의 시트를 가열하는 시트 가열부를 포함하여 구성되고, 분말 압연부는 서로 마주보는 2개의 압연 로울러 및 각각의 압연 로울러의 표면에 금속 분말의 유동성을 높이며 가열에 의해 증발하는 유체를 공급하는 유체 공급 기구를 포함하고, 분말 수용부의 배출구로부터 배출되는 금속 분말은 압연 로울러들과 접촉하면서 유체 공급 기구로부터 공급되는 유체가 혼합되어 금속 분말의 유동도가 증가하거나 유체에 의해 포획되는 상태로 압연 로울러 사이의 간극으로 공급되며, 시트 가열부는 압연 로울러에서 형성되는 연속적인 금속 분말 시트 또는 시트 절단부에서 절단된 금속 분말 시트를 가열하여 금속 분말 시트에 잔류하는 유체를 증발시키는 것이다.

Description

금속 제품의 적층 제조에 이용되는 금속 분말 시트를 제조하는 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS OF PRODUCING A METAL POWDER SHEET USED IN ADDITIVE MANUFACTURING OF METALLIC PRODUCTS}
본 발명은 금속 제품의 적층 제조에 이용되는 금속 분말 시트를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 금속 제품을 적층 방식으로 순차로 성형하여 금속제의 제품을 제조하는 데 있어서 금속 재료로 이용되는 금속 분말을 시트 형태로 제조하는 장치와 방법에 관한 것이다.
프레스나 단조에 의해 제조하기 용이하지 않은 형태를 갖는 금속 제품을 제조하는 방법으로서는, 금속 소재를 용융하여 액상의 금속을 금형에 주입하여 응고시키는 주조 방식이 주로 사용되었다.
최근에는 복잡한 형상을 가지는 삼차원 물품을 제조하는 방법으로 적층 제조(additive manufacturing), 즉 3D 프린팅 제조 방식이 알려져 있다.
3D 프린팅 방식으로 금속제의 제품을 제조하는 방법으로서는 대표적으로 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Direct Energy Deposition) 기법이 알려져 있다.
PBF 기법은 편평한 베드에 수십 ㎛ 두께로 금속 분말을 도포하고 조형 광원으로서 레이저 비임 또는 전자 비임을 해당 제품의 형상에 따라 선택적으로 조사하여 한 층씩 소결 또는 용융시켜 금속 분말을 서로 결합시켜 쌓아 올라가는 것이다.
DED 기법은 노즐을 통하여 보호 가스와 금속 분말을 실시간으로 공급하고, 고출력의 레이저를 사용하여 금속 분말을 용융하여 적층해 나가는 것이다.
3D 프린팅 방식을 이용하여 금속 제품을 제조하는 기법은 합성수지제 제품의 3D 프린팅과 마찬가지로 주조 금형을 이용하여 만들기 어려운 중공형 등의 복잡하고 정밀한 형상을 가지는 제품을 용접이나 기계 가공 없이 제조할 수 있고, 스크랩의 소재 손실도 없으며 기계 가공 등의 후공정을 대폭 생략할 수 있기 때문에, 특수한 형태의 제품 제조를 요하는 의료 산업이나 항공 산업뿐만 아니라 일반 산업용 부품의 제조 등으로 활용 범위가 확대되어 가고 있다.
PBF 기법에는 레이저를 조형광원으로 이용하는 방식으로 SLS(selective laser sintering) 또는 SLM(selective laser melting) 등의 기법이 있고, 전자 비임을 조형광원으로 이용하는 방식으로 EBM(electron beam melting)이 있다. DED방식에서 레이저를 조형광원으로 이용하는 DMT(direct metal tooling) 등의 기법이 있다.
PBF 기법은 비교적 정밀한 형상 구현이 가능하고 형상 자유도가 높다는 장점이 있지만, 원재료인 금속 분말을 광원이 조사되는 베드에 고르게 적층하여야 하기때문에 분말의 적층을 위한 장비가 매우 고가로 되고 금속 분말의 적층에 상당한 시간이 소요되어 전체 제조 시간이 매우 길어지는 문제점이 있다.
더욱이, PBF 기법에 있어 금속 분말이 고르게 적층되기 위해서는 금속 분말의 입도가 매우 고른 수준을 유지하여야 하고, 특히 금속 분말의 공급과 적층을 위해서는 금속 분말이 구형 분말이어야 하고 유동도(flowability)가 높아야 한다는 제약이 있다.
예컨대, 분말 치밀도와 유동도를 나타내는 하우스너 비율(Hausner Ratio)이 양호한 치밀도와 유동성을 갖는 수준인 1.25 이하이어야 하지만, 하우스너 비율이 낮은 분말은 상당히 고가이다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 하나의 방안으로서, 대한민국 특허 공보 제10-1732770호(문헌 1)에서는 '3차원 입체 형상을 프린팅하는 방법과 장치'에 관한 발명을 개시하고 있다.
문헌 1의 발명에서는 금속 분말을 압연하여 시트 형태로 형성한 후에, 이를 적절한 길이로 절단하여 조형 광원이 조사되는 프린팅 챔버에 순차로 공급하는 구성을 제시하고 있다.
도 1은 이러한 문헌 1의 발명에 따른 장치의 개략적인 구성을 도시하고 있다.
도 1을 참조하여 살펴보면, 문헌 1의 발명에 따른 프린팅 장치는 분말 저장부(100), 분말 압연부(200), 프린팅 챔버(300), 원료 공급부(400) 및 빔 조사부(500)를 포함하여 구성되어 있다.
호퍼 형태인 분말 저장부(100)에는 금속 분말(A)이 수용되어 있고, 하단의 배출구(110)를 통하여 중력에 의해 금속 분말이 낙하하게 되어 있다.
분말 압연부(200)는 서로 마주하는 2개의 압연 로울러(210, 220)로 구성되어 분말 저장부(100)의 배출구(110)에 설치되어 있고, 배출구(110)로부터 배출되는 분말을 판 형상으로 압연하여 시트(B)를 형성한다.
분말 압연부(200)와 프린팅 챔버(300) 사이에는 원료 공급부(400)가 설치되어 있고, 2개의 공급 로울러(410, 420)에 의해 원료판을 프린팅 챔버(300)로 공급하며, 상하로 2개의 나이프(610, 620)를 갖추어 분말 압연부(200)로부터 공급되는 시트(B)를 적절한 길이로 절단한다.
프린팅 챔버(300)는 이동축(320)에 의해 상하로 구동되는 스테이지(310)가 마련되어 있고, 위쪽에 빔 조사부(500)가 마련되어 있다.
비임 조사부(500)는 원료 공급부(400)로부터 공급되는 원료판에 선택적으로 레이저 비임 또는 전자 비임을 조사하며, 비임 발생부(510)로부터의 비임은 스캔 조사부(520)에 전달되어 제조하려는 금속 제품의 형태에 맞추어 조사된다.
비임의 조사에 의해 원료판(20)을 이루는 금속 분말이 소결 또는 용융 고화되어 일층의 성형이 이루어지면, 스테이지(310)가 하강하고, 원료 공급부(400)에 의해 다음의 시트(B)가 공급되어 성형이 이루어진다.
이상과 같은 구성 및 작동을 갖는 문헌 1의 프린팅 장치는 분말의 입도 및 형상에 제한 없이 금속 분말을 사용하여 PBF 기법에 따른 금속 제품의 3D 프린팅을 하려는 것이지만, 그 구조상으로 금속 분말은 구형으로 제한되며, 더욱이 구형 금속 분말의 유동도가 낮은 경우에는 분말의 원할한 공급이나 균일한 두께의 시트 형성이 어렵다는 문제가 있다.
구체적으로는 문헌 1의 발명은 분말 저장부(100)로부터 금속 분말이 중력에 의해 분말 압연부(200)로 낙하하는 것으로 구성되어 있지만, 실제로는 호퍼 형태의 분말 저장부(100)의 배출구는 압연에 의해 형성하려는 시트의 두께에 맞추어 매우 좁은 간격을 가지도록 구성되어야 하므로, 금속 분말의 유동도가 높지 않으면 좁은 배출구로부터 금속 분말의 낙하가 균일하게 이루어지지 않게 되고, 때로는 금속 분말들에 의해 배출구가 폐색되는 일이 발생하게 된다.
또한, 분말 압연부(200)는 형성하려는 금속 분말의 시트(B)의 두께 및 공극률에 맞추어 압연 로울러(210, 220) 사이의 간극이 조절되므로 그 간극은 매우 좁게 형성되어야 하지만, 이 간극으로 유입되어야 하는 금속 분말의 유동도가 매우 높지 않으면 금속 분말은 균일하게 분말 압연부의 압연 로울러들 사이에 공급되지 않는다.
따라서, 문헌 1의 발명에 따른 프린팅 장치는 유동도가 높은 구형의 금속 분말을 소재로서 이용할 수 밖에 없다.
대한민국 특허 공보 제10-1732770호(문헌 1) 일본 공개특허공보 특개2016-74956호(문헌 2)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 고려하여, 금속 분말을 적층 성형하여 금속 제품을 제조하는 데 사용하는 금속 분말 시트를 제조하는 장치와 방법을 제공하려는 것이다.
특히, 본 발명은 소재가 되는 금속 분말이 각형이거나 유동도가 낮은 경우에도 균일한 두께와 조직을 갖는 금속 분말의 시트를 형성할 수 있는 금속 분말 시트의 제조 장치와 방법을 제공하려는 것이다.
전술한 본 발명의 과제는 금속 제품의 적층 제조에 이용되는 금속 분말 시트를 제조하는 제조 장치에 관한 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 제조 장치는,
금속 제품의 재료가 되는 금속 분말을 수용하고 수용된 금속 분말을 배출하는 배출구가 마련되는 분말 수용부;
분말 수용부의 하측에 배치되어 분말 수용부의 배출구로부터 배출되는 금속 분말을 시트 형상으로 압연하여 연속되는 금속 분말 시트를 형성하는 분말 압연부; 및
금속 분말의 시트를 가열하는 시트 가열부
를 포함하여 구성되고,
분말 압연부는 서로 마주보는 2개의 압연 로울러 및 각각의 압연 로울러의 표면에 금속 분말의 유동성을 높이며 가열에 의해 증발하는 유체를 공급하는 유체 공급 기구를 포함하고,
분말 수용부의 배출구로부터 배출되는 금속 분말은 압연 로울러들과 접촉하면서 유체 공급 기구로부터 공급되는 유체가 혼합되어 금속 분말의 유동도가 증가하거나 유체에 의해 포획되는 상태로 압연 로울러 사이의 간극으로 공급되며,
시트 가열부는 압연 로울러에서 형성되는 연속적인 금속 분말 시트 또는 시트 절단부에서 절단된 금속 분말 시트를 가열하여 금속 분말 시트에 잔류하는 유체를 증발시키는 것이다.
이러한 본 발명의 제조 장치의 구성에 따른 금속 분말 시트의 제조 과정을 설명하면,
먼저, 제조하고자 하는 금속 제품의 소재가 되는 금속 분말을 마련하여 분말 수용부에 수용하고, 분말 수용부의 배출구로부터 분말 압연부의 압연 로울러 사이의 간극으로 금속 분말을 배출한다.
배출되는 금속 분말은 압연 로울러 사이의 간극에 낙하하는데, 압연 로울러의 표면에 유체를 분무하면서 압연 로울러를 회전시켜 압연 로울러 사이의 간극을 통과하는 금속 분말을 압연하여 금속 분말 시트를 형성한다.
압연 로울러를 통과하여 압연되어 형성되는 금속 분말 시트는 시트 가열부에서 가열되어 유체가 증발되고, 건조 상태의 금속 분말 시트가 제조된다.
이와 같은 본 발명의 제조 장치와 제조 방법의 구성과 작용에 따르면, 예컨대 각형의 금속 분말이나 그 밖의 유동도가 낮은 금속 분말을 사용하는 경우에도, 금속 분말은 유체에 의해 상호 간의 마찰이 감소하여 유동도가 증가되고 유체에 포획되어 압연 로울러를 통과하게 되므로, 매우 균일한 두께와 조직 구조를 갖는 금속 분말 시트가 제조된다.
한편, 본 발명의 부가적 특징으로서, 시트 공급부는 불활성 분위기의 챔버를 포함하고, 시트 가열 기구는 상기 챔버에 마련되는 것으로 구성할 수 있다.
이러한 부가적 구성에 따라, 금속 분말 시트에서의 유체의 증발은 불활성 분위기에서 수행되어, 금속 분말 시트를 이루는 금속의 산화와 같은 바람직하지 않은 반응이 일어나지 않게 된다.
본 발명의 또 다른 부가적 특징으로서, 분말 수용부에는 진동을 인가하여 배출구로부터 금속 분말의 중력에 의한 낙하를 촉진하는 진동 기구가 마련될 수 있다.
이러한 부가적 구성에 따라, 분말 수용부로부터 금속 분말을 배출하는 단계에서는 분말 수용부에 진동이 인가되어 금속 분말의 배출이 원할하게 이루어질 수 있어서, 압연 로울러에 금속 분말이 원할하게 공급될 수 있다.
본 발명의 추가의 부가적 특징으로서, 금속 분말 시트를 소정 길이로 절단하는 시트 절단부를 더 포함할 수 있다.
이러한 시트 절단부는 분말 압연부와 시트 가열부 사이에 놓여 분말 압연부로부터 연속적으로 공급되는 금속 분말 시트를 절단하거나, 시트 가열부의 하류에 놓여 시트 가열부에서 유체가 증발된 금속 분말 시트를 절단하는 것이다.
이러한 부가적 구성에 따르면, 금속 분말 시트는 금속 분말의 압연과 유체의 증발 사이에서 절단되거나 유체의 증발 후에 절단되며, 절단된 상태로 바로 금속 제품의 적층 제조 장치에 공급되거나, 서로 적층된 상태로 보관되거나 적층 상태로 적층 제조 장치에 공급될 수 있다.
본 발명의 제조 장치는 금속 제품을 적층 제조하는 장치와 함께 하나의 적층 제조 시스템을 구성할 수 있다. 그러한 적층 제조 시스템은, 적층 성형을 수행하는 장치로서, 시트 절단부에서 일정 길이로 절단되고 시트 가열부에서 유체가 증발되어 건조된 금속 분말 시트가 공급되어 놓이는 스테이지 및 스테이지를 승강시키는 승강 기구를 포함하는 프린팅 챔버; 및 프린팅 챔버에 놓이는 금속 분말 시트에 레이저 비임 또는 전자 비임을 조사하여 비임 조사 기구를 포함할 수 있다.
도 1은 문헌 1의 발명에 따른 장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속 분말 시트의 제조 장치의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금속 분말 시트의 제조 장치에서 분말 수용 호퍼와 압연 로울러 및 분무 노즐을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금속 분말 시트의 제조 장치에서 제조된 금속 분말 시트를 이용한 3D 프린터의 개략적인 구성과 동작을 보여주는 도면이다.
이하, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로서, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분말 시트의 제조 장치와 이 제조 장치를 이용하여 금속 분말 시트를 제조하는 방법 및 금속 분말 시트를 이용하여 입체 형상의 금속 제품을 3D 프린팅에 의해 제조하는 장치에 대해 설명한다.
먼저, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분말 시트의 제조 장치의 구성을 설명한다.
금속 분말 시트의 제조 장치는, 금속 제품의 재료가 되는 금속 분말을 수용하고 수용된 금속 분말(1)을 배출하는 배출구(11)가 하면에 형성되는 분말 수용부로서의 분말 수용 호퍼(10), 분말 수용 호퍼(10)의 하측에 배치되어 배출구(11)로부터 배출되는 금속 분말(1)을 시트 형상으로 압연하여 연속되는 금속 분말 시트(2)를 형성하는 분말 압연기(21, 22), 분말 압연기로부터 배출되는 금속 분말 시트(2)를 가열하는 시트 가열부로서의 시트 가열 챔버(30), 시트 가열 챔버에서 배출되는 금속 분말 시트(2)를 일정 길이로 절단하는 시트 절단부로서의 절단 기(40), 및 절단기(40)에서 절단된 금속 분말 시트(3)을 적재 팔렛트(도 3의 60)에 적재하도록 이송하는 이송 로울러들(50)로 이루어져 있다.
분말 수용 호퍼(10)는 배출구(11)의 위쪽으로 분말이 수용되는 내측 표면이 경사져서 금속 분말(1)이 자중에 의해 배출구(11)로 공급되도록 구성되어 있다.
배출구(11) 하측의 분말 압연기는 회전축이 서로 평행하게 배치되는 한쌍의 압연 로울러(21, 22)로 이루어져 있는데, 압연 로울러(21, 22)는 그 외측 표면 사이에 간극을 형성되도록 배치되어 있다.
분말 수용 호퍼(10)에 수용되는 금속 분말(1)은 적층 제조하려는 금속 제품의 소재가 되는 것이며, 그 종류에는 제한이 없지만, 스테인레스강, 니켈 합금, 타이타늄, 금형강 등일 수 있다.
압연 로울러(21, 22) 사이의 간극은 분말 수용 호퍼의 배출구(11)의 바로 아래에 배치되어 배출구로부터 낙하하는 금속 분말이 압연 로울러(21, 22) 사이를 통과하면서 압연 로울러(21, 22)에 의해 가압력을 받아서 판재 형태인 금속 분말 시트(2)를 형성하면서 가이드 부재(23)에 의해 안내되어 하부로 이송된다.
압연 로울러(21, 22)는 그 회전축(미도시)을 서로에 대해 멀어지거나 근접하도록 하여 이들 사이의 간극을 조절할 수 있고, 이들 사이의 간극을 통과하는 금속분말에 압연을 위한 압력을 인가하도록 구성되어 있다.
이러한 간극 조절과 압력의 인가를 위한 구성은 일반적인 압연 로울러의 구성을 채택할 수 있고, 일반적인 압연 로울러의 구성과 작용은 널리 알려진 것이므로, 그 도시 및 설명을 생략한다.
분말 수용 호퍼의 배출구(11)는 압연 로울러(21, 22)의 폭방향에 걸쳐 금속 분말을 배출하도록 슬릿 형태로 형성되어 있고, 제조하고자 하는 금속 분말 시트의 두께와 금속 분말 시트의 압연 속도에 맞추어 적절한 분량의 금속 분말을 배출하도록 슬릿의 폭이 조절되도록 구성되어 있다. 그러한 슬릿 폭을 조절하는 구성은 여러 주지 또는 관용의 기구를 이용할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 본 실시예의 제조 장치 및 제조 방법은 배경 기술에서 설명한 PBF 기법에 따른 금속 제품의 적층 제조에서 금속 분말 소재로서 금속 분말 시트를 공급하려는 것이고, 이에 한정되는 것은 아니지만, 금속 분말 시트는 대체로 두께가 0.3 ~ 3 ㎜ 범위로 형성하고, 소재가 되는 금속 분말은 45 ~ 250 ㎛의 평균 입도를 갖는 것이 적절하다.
특히, 본 실시예의 제조 장치 및 방법은 소재가 되는 금속 분말이 구형이 아닌 각형일 수도 있고, 특히 유동도가 낮은, 하우스너 비율이 1.25을 초과하는 것일 수 있다.
따라서, 분말 수용 호퍼의 배출구(11)는 제조하려는 금속 분말 시트의 두께에 상응하여 매우 좁은 폭을 갖는 것이며, 이로부터 배출되는 금속 분말은 유동도가 매우 낮은 것일 수 있으므로, 중력에 의해 배출구(11)로부터 원할하게 배출되지 않고 불규칙하게 배출되거나 경우에 따라서는 배출구(11)가 금속 분말에 의해 폐색될 수도 있다.
본 실시예의 제조 장치에서 분말 수용 호퍼(10)에는 배출구(11)로부터 금속 분말의 중력에 의한 낙하를 촉진하는 진동 기구(15)가 마련되어 있다.
도 2을 참조하면, 진동 기구(15)는 분말 수용 호퍼(10)의 외측 벽면에 부착되어 있으며, 70 ~ 100 Hz 정도의 진동을 발생시키는 내부의 진동 발생원(미도시)에 의해 진동하여 분말 수용 호퍼(10)의 벽면을 통하여 그 내부에 수용된 금속 분말에 진동을 인가한다.
이러한 진동의 인가에 의해 분말 수용 호퍼(10)에 수용된 금속 분말(1)은 배출구(11)로부터 원할하게 막히는 일이 없이 배출된다.
배출구(11)로부터 금속 분말의 배출을 원할하고 균일하게 하는 방법 및 기구는 이러한 진동 기구에 한정되지 않고, 예컨대, 분말 수용 호퍼(10) 내에서 금속 분말(1)의 배출 방향을 따라 배치되어 금속 분말을 강제로 이동시키는 스크류 등으로 이루어질 수도 있다.
배출구(11)로부터 배출되는 금속 분말은 압연 로울러(21, 22)의 표면과의 마찰력에 의해 압연 로울러 사이로 진입하고 압연 로울러가 인가하는 압연 압력에 의해 분말 사이가 밀착되면서 시트를 형성하게 된다.
한편, 입경이 불규칙하거나 입자의 형태가 각형이거나 그 밖에 유동도가 낮은 금속 분말은 압연 로울러(21, 22)와의 높은 마찰력에 의해 압연 로울러 사이의 간극으로 진입할 수는 있지만, 낮은 유동도로 인하여 압연 로울러 사이의 진입이 불규칙하고 불균일하게 이루어지게 된다.
본 실시예의 각각의 압연 로울러(21, 22)의 주위에는, 금속 분말의 유동성을 높이며 가열에 의해 증발하는 유체를 공급하는 유체 공급 기구로서, 물을 분무하는 분무 노즐(25)이 배치되어 있다.
분무 노즐(25)은 각각의 압연 로울러(21, 22)에 대해 이들 사이의 간극과 반대측 방향에서 압연 로울러를 향하여 하향 경사지게 배치되어, 도시하지 않은 물 공급원으로부터 일정 압력으로 공급되는 물을 300 ㎛ 이하의 직경을 갖는 액적의 형태로 압연 로울러(21, 22)에 분무하는 것이다.
분무 노즐(25)은 압연 로울러(21, 22)의 상측에 물을 분무하고, 분무된 물은 압연 로울러(21, 22)의 표면에 수막(4)을 형성한 상태로 압연 로울러(21, 22)의 회전에 따라 금속 분말(1)이 체류하는 압연 로울러(21, 22)의 간극 사이로 이동하게 된다.
압연 로울러(21, 22) 사이의 간극으로 낙하한 금속 분말(1)은 압연 로울러의 표면에 수막 형태로 존재하는 물과 접촉하여 습윤되어 유동도가 증가하게 되고, 물은 금속 분말의 바인더로서 작용하여 금속 분말을 포획하여 분말 로울러(21, 22)의 표면을 따라 이동하게 한다.
따라서, 금속 분말(1)은 낮은 유동도를 가짐에도 불구하고 원할하고 일정하게 압연 로울러(21, 22)의 표면을 따라 이동하여 이들 사이의 간극으로 진입하여 압연이 이루어진다.
한편, 본 실시예에서는 금속 분말의 유동도를 높이고 바인더로서 작용하는 유체로서 물을 이용하지만, 사용하는 금속 분말과의 반응성이 낮으면서 가열에 의해 쉽게 증발하는 다른 휘발성 유체를 이용할 수도 있다.
금속 분말(1)은 압연 로울러에서의 압연 압력에 의해 압연되어 금속 분말 시트(2)로 형성되어 연속적으로 압연 로울러(21, 22)의 간극으로부터 아래쪽으로 배출된다.
압연 로울러(21, 22)에서는 100 ~ 700 MPa의 압연 압력을 인가하도록 구성되며, 이러한 압연 압력에 의해 금속 분말 시트는 60 ~ 95 %의 밀도를 갖게 된다.
금속 분말 시트(2)는 금속 분말이 서로 응집되어 소위, 그린 스트립(green strip) 또는 그린 시트(green sheet)라고 불리우는 소결 전의 상태의 판재를 구성하게 되며, 이러한 시트는 금속 분말이 다공성의 조직을 형성하고 이들 사이에 물이 존재하는 상태로 된다.
압연 로울러(21, 22)로부터 연속적으로 배출되는 금속 분말 시트(2)는 압연 로울러(21, 22)의 아래쪽에 배치되어 있는 시트 가열 챔버(30)로 유입된다.
압연 로울러(21, 22)의 아래쪽으로부터 시트 가열 챔버(30)의 안쪽으로 금속 분말 시트(2)의 이송을 안내하는 굴곡된 형태의 가이드 부재(26)가 배치되어 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 금속 분말 시트(2)가 가이드 부재(26)에 의해 안내되어 시트 가열 챔버(30)로 유입되면서 수직의 배향에서 수평의 배향으로 전환된다.
다만, 본 실시예와 달리, 압연 로울러(21, 22) 하류의 시트 가열 챔버(30)나 절단기(40) 및 이송 로울러(50)를 수직으로 배치하는 경우에는 가이드 부재(26)가 필요 없게 되거나 가이드 부재가 굴곡된 형태일 필요는 없다.
시트 가열 챔버(30)는 금속 분말 시트(2)의 유입되는 입구(31)와 출구(32)를 갖추고 있고, 출구(32)에는 이송 로울러 세트(33)가 마련되어 있고, 불활성 가스로서 아르곤(Ar) 가스를 챔버 내부로 공급하는 가스 공급부(36)가 마련되어 있어서, 챔버 내부를 불활성 분위기로 형성한다.
또한, 시트 가열 챔버(30)를 둘러싸는 형태로 고주파 유도 가열 코일(35)이 마련되어 있어서, 시트 가열 챔버(30)가 대략 150 ~ 200 ℃로 가열되어서 내측으로 통과하는 금속 분말 시트(2)가 가열되어 시트를 이루는 금속 입자 사이의 공극에 존재하는 수분이 증발하게 된다. 시트 가열 챔버(30)의 내부는 아르곤 가스에 의해 불활성 분위기로 되므로, 이러한 가열 및 건조 과정에서 금속 분말의 산화 등이 방지된다.
시트 가열 챔버(30)의 출구의 하류에는 순차로 절단기(40)와 2개 쌍의 이송 로울러(50)가 배치되어 있다.
절단기(40)는 와이어 톱이나 회전 톱의 형태로 구성되어 연속적으로 배출되는 금속 분말 시트를 3D 프린팅에 요구되는 길이로 절단하고, 절단된 금속 분말 시트는 이송 로울러(50)에 의해 적재 장소로 이송된다.
한편, 이 실시예의 제조 장치는 연속적으로 배출되는 금속 분말 시트(2)를 가열하여 건조한 후에 절단기(40)에 의해 요구되는 길이로 절단하도록 구성되어 있지만, 압연 로울러(21, 22)에서 배출되는 금속 분말 시트(2)를 먼저 요구되는 길이로 절단하고, 절단된 금속 분말 시트를 시트 가열 챔버에 의해 가열하도록 구성할 수도 있다.
이상 설명한 구성과 작용을 갖는 금속 분말 시트의 제조 장치와 방법에 따르면, 소재가 되는 금속 분말이 각형이거나 고른 입경을 갖는 것이 아니라도, 원할하게 배출이 되고 압연이 이루어질 뿐만 아니라, 이에 따라 제조되는 금속 분말 시트는 두께 및 밀도의 편차가 최소화된다.
도 3에는 이상의 구성과 작동을 갖는 제조 장치에 의해 제조된 금속 분말 시트를 이용하여 금속 제품의 적층 성형이 이루어지는 프린팅 챔버(70) 및 비임 조사 기구(80)가 도시되어 있다.
프린팅 챔버(70)는 문헌 1 등을 통하여 공지된 것이며, 금속 분말 시트가 공급되어 놓이는 스테이지(71) 및 스테이지를 승강시키는 승강 기구(미도시)를 포함하는 것이다. 프린팅 챔버의 베드(72)에는 여러 장의 금속 분말 시트가 적재된 적재 팔레트(60)가 놓인다.
금속 분말 시트는 도 1에 도시한 제조 장치에서 제조되고 이송되어 적재 팔레트에 적층되어 보관되고, 적층 성형을 수행할 때에 프린팅 챔버의 베드(72)에 놓이며, 도시하지 않은 픽업 기구에 의해 적층 성형의 진행에 따라 한 장씩 순차로 스테이지(71)에 놓이게 된다.
프린팅 챔버(70)의 상측에는 스테이지(71)에 놓인 금속 분말 시트(3)에 레이저 비임 또는 전자 비임을 조사하여 비임 조사 기구(80)가 배치되는데, 문헌 1 등에 의해 공지되어 있는 바와 같이, 비임 조사 기구(80)는 비임을 발생시키는 비임 발생부(81)와 비임을 스캔하는 방식으로 조사하는 스캔조사부(82)로 이루어져 있다.
픽업 기구에 의해 적재 팔레트(60)의 금속 분말 시트(3)가 스테이지(71)에 놓이면 레이저 비임 또는 전자 비임이 조사되어 금속 분말 시트에 국부적인 비임이 조사되어 금속 분말에 대한 소결 또는 용융 고화가 이루어지면서 일층의 제조가 이루어진다.
이러한 일층의 제조가 완료되면, 소결 또는 용융 고화가 이루어지지 않은 금속 분말 시트(3)의 나머지 부분은 픽업 기구에 의해 프린팅 챔버(70)로부터 제거되고 스테이지(71)는 다음의 제조를 위해 하강한다.
이상과 같은 과정에 의해 금속 제품에 대한 적층 제조가 수행된다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 제조 장치에 의해 제조된 금속 분말 시트를 이용하여 금속 제품의 적층 성형을 수행하는 경우에는 금속 분말을 스테이지에 도포하는 과정을 대신하여 미리 제조된 금속 분말 시트가 스테이지에 놓이게 되므로, 공정의 속도가 빨라지고, 금속 분말을 도포하기 위한 기구가 필요 없게 된다.
이상으로 본 발명의 하나의 실시예를 설명하였으며, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에 기재한 범위에서 다양한 변경과 변형이 이루어질 수 있고, 추가의 구성을 더 포함할 수 있다.
또한, 그러한 다양한 변경과 변형 및 추가의 구성을 포함하는 제조 장치 및 제조 방법은 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 분말 수용 호퍼 21, 22: 압연 로울러
30: 시트 가열 챔버 40: 절단기
50: 이송 로울러 60: 적재 팔레트
70: 프린팅 챔버 80: 비임 조사 기구

Claims (10)

  1. 금속 제품의 적층 제조에 이용되는 금속 분말 시트를 제조하는 장치로서,
    금속 제품의 재료가 되는 금속 분말을 수용하고 수용된 금속 분말을 배출하는 배출구가 마련되는 분말 수용부;
    분말 수용부의 하측에 배치되어 분말 수용부의 배출구로부터 배출되는 금속 분말을 시트 형상으로 압연하여 연속되는 금속 분말 시트를 형성하는 분말 압연부;
    금속 분말의 시트를 가열하는 시트 가열부
    를 포함하여 구성되고,
    분말 압연부는 서로 마주보는 2개의 압연 로울러 및 각각의 압연 로울러의 표면에 금속 분말의 유동성을 높이며 가열에 의해 증발하는 유체를 공급하는 유체 공급 기구를 포함하고,
    분말 수용부의 배출구로부터 배출되는 금속 분말은 압연 로울러들과 접촉하면서 유체 공급 기구로부터 공급되는 유체가 혼합되어 금속 분말의 유동도가 증가하거나 유체에 의해 포획되는 상태로 압연 로울러 사이의 간극으로 공급되며,
    시트 가열부는 압연 로울러에서 형성되는 연속적인 금속 분말 시트 또는 시트 절단부에서 절단된 금속 분말 시트를 가열하여 금속 분말 시트에 잔류하는 유체를 증발시키는 것인, 금속 분말 시트의 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    유체 공급 기구에서 공급하는 유체는 물이고, 유체 공급 기구는 압연 로울러의 폭에 걸쳐 물을 액적 형태로 분무하는 노즐을 포함하는 것인, 금속 분말 시트의 제조 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    시트 공급부는 불활성 분위기의 챔버를 포함하고, 시트 가열 기구는 상기 챔버에 마련되는 것인, 금속 분말 시트의 제조 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    분말 수용부에는 진동을 인가하여 배출구로부터 금속 분말의 중력에 의한 낙하를 촉진하는 진동 기구가 마련되는 것인, 금속 분말 시트의 제조 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    금속 분말 시트를 소정 길이로 절단하는 시트 절단부를 더 포함하고,
    시트 절단부는 분말 압연부와 시트 가열부 사이에 놓여 분말 압연부로부터 연속적으로 공급되는 금속 분말 시트를 절단하거나, 시트 가열부의 하류에 놓여 시트 가열부에서 유체가 증발된 금속 분말 시트를 절단하는 것인, 금속 분말 시트의 제조 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중의 어느 하나의 청구항에 따른 금속 분말 시트의 제조 장치를 포함하고,
    시트 절단부에서 일정 길이로 절단되고 시트 가열부에서 유체가 증발되어 건조된 금속 분말 시트가 공급되어 놓이는 스테이지 및 스테이지를 승강시키는 승강 기구를 포함하는 프린팅 챔버; 및
    프린팅 챔버에 놓이는 금속 분말 시트에 레이저 비임 또는 전자 비임을 조사하여 비임 조사 기구
    를 더 포함하여 이루어지는 금속 제품의 적층 제조 시스템.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중의 어느 하나의 청구항에 따른 금속 분말 시트의 제조 장치에 의해 금속 분말 시트를 제조하는 방법으로서,
    금속 분말을 마련하여 분말 수용부에 수용하는 수용 단계;
    분말 수용부의 배출구로부터 분말 압연부의 압연 로울러 사이의 간극으로 금속 분말을 배출하는 배출 단계;
    압연 로울러에 유체를 분무하면서 압연 로울러를 회전시켜 압연 로울러 사이의 간극을 통과하는 금속 분말을 압연하여 금속 분말 시트를 형성하는 압연 단계;
    금속 분말 시트를 가열하여 금속 분말 시트로부터 유체를 증발시키는 증발 단계;
    를 포함하는 것인, 금속 분말 시트의 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 증발 단계는 불활성 분위기에서 수행되는 것인, 금속 분말 시트의 제조 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 배출 단계에서는 분말 수용부에 진동이 인가되는 것인, 금속 분말 시트의 제조 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    금속 분말 시트를 소정 길이로 절단하는 절단 단계를 더 포함하고,
    상기 절단 단계는 상기 압연 단계와 증발 단계 사이에 수행되거나 상기 증발 단계 후에 수행되는 것인, 금속 분말 시트의 제조 방법.
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