KR20200010625A - 바인더-제트 방식 3d 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조, 이를 이용한 주조 공정용 주형 및 주조공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바인더-제트 방식 3D프린팅용 3차원 경량화 패턴구조, 이를 이용한 주조 공정용 주형 및 주조 공정 방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 3D 프린팅용 3차원패턴 구조에 있어서, 복수의 빈 공간을 포함하도록 형성되는 제1적층면 및 제2적층면으로 구성되며, 상기 제2적층면은 상기 제1적층면의 하부에 배치되고, 상기 복수의 빈 공간은 각각 구형으로 이루어져, 상호 간에 밀집 구조를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조와 이를 이용한 주조 공정용 주형 및 주조 공정 방법에 관한 것이다.

Description

바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조, 이를 이용한 주조 공정용 주형 및 주조공정 {LIGHT-WEIGHT 3D PATTERN STRUCTURE FOR BIDNER-JET 3D PRINTING, THE 3D PATTERNED MOLDS FOR CASTING PROCESS AND THE CASTING PROCESS USING THEM}

본 발명은 주조공정을 위한 경량화된 주형의 제작을 위한 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 패턴구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구형의 빈 공간을 이용하여 구현한 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 3차원 경량화 패턴구조, 이를 이용한 주조 공정용 주형 및 주조 공정 방법에 관한 것이다.

널리 쓰이는 금속 가공 공정 중 하나인 주조공정은 모래나 왁스소재의 주형을 필요로 하며, 주형은 보통 목형 제작부터 시작된다. 다만, 최근에는 3D 프린팅 기술, 특히 그 중에서도 주물사 바인더-제트(Binder-Jet)기술이 발달하면서 모래주형인 사형은 목형 없이 주조공정이 가능하게 되었다.

3D 프린팅은 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어 내는 적층 가공방식의 제조 기술을 의미한다. 3D 프린팅 기술의 보급은 기계 절삭 및 성형 등 기존의 생산방식을 탈피하여, 일괄된 방식으로 어떤 형태의 제품을 만들어 낼 수 있어 굉장한 사회적 영향력을 갖는다.

3D프린팅 기술은 공정의 목적에 따라서 3D프린터의 종류를 달리하며 공정을 진행하는 것이 중요할 수 있다. 이는 다양한 종류의 재료와 3D 프린터가 여러 가지 프로세스에 적용될 수 있으나, 그만큼 이후 가공 공정이 달라질 수 있기 때문이다.

그 중에서도 전술한 바인더-제트(Binder-Jet) 기술은 분말을 얇게 적층한 분말 베드에 액상의 접착제 혹은 결합제를 분사하는 방식에 해당한다. 상기 바인더-제트(Binder-Jet) 기술은 미술용, 건축용뿐만 아니라 금속 제조공정을 위한 사형(sand mold)등의 주형제작에 주로 이용되어 진다. 사형은 용융 금속을 부은 후 굳혀서 형체를 만드는 주조공정을 위한 형틀이며 필수품이다.

특히, 상기 바인더-제트(Binder-Jet) 기술을 사용하면 기존 공법에서 반드시 필요한 목형 없이 사형 제작이 바로 가능하다는 큰 이점이 있음에도 불구하고, 사용되는 소재와 공정에 필요한 비용이 매우 고가이어서 기존의 목형을 이용한 사형제작법의 대체에 일정 수준 한계를 보이고 있다.

이에 기존의 대한민국 선행특허 제10-1820943호(명칭: 3D프린터를 이용한 세라믹 몰드 또는 중장 및 슬러리 조성물의 제조방법)에는 이종의 고분자들을 사용하여 유효한 강도를 가진 세라믹 몰드 및 중자의 슬러리 조성물 공정 개발에 관한 기술이 개시되어 있다.

또한 기존의 대한민국 선행특허 제 10-0942924호(명칭: 사형 주조용 주형 제작 방법 및 장치)는 직접적 레이저 소결기법(Direct Laser Sintering)에 의한 사형 주조용 주형과 중자 제작에 관한 사형 주조용 주형 제작 방법 및 장치에 관한 기술을 개시하고 있다.

다만, 상기 기존 기술에 의하더라도 상기 바인더-제트(Binder-Jet) 기술에 있어 소재의 사용량 및 제조 공정 비용과 관련된 과제 해결 기술이 제시되지 않는다. 따라서 기존의 소재의 사용량을 줄이기 위한 세라믹 및 세라믹-폴리머의 경량화 기술과 이에 상응하여 구조물이 일정수준 안전적인 강도를 유지하기 위한 기술의 제시가 요구된다.

대한민국 등록번호 제10-180943호 대한민국 등록번호 제10-0942924호

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 경량 구조를 구현하고, 주조 공정시 일정 수준의 강도를 유지하기 위해 각 구형의 빈 공간들이 밀집 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 3D 프린팅 기술에 적합하도록 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 패턴구조를 제공하는 것이다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은 상기 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 패턴구조로 이루어진 주조 공정용 주형 및 이를 이용한 주조 공정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 3D 프린팅용 3차원 패턴 구조에 있어서, 복수의 빈 공간을 포함하도록 형성되는 제1적층면 및 제2적층면으로 구성되며, 상기 제2적층면은 상기 제1적층면의 하부에 배치되고, 상기 복수의 빈 공간은 각각 구형으로 이루어져, 상호 간에 밀집 구조를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 빈 공간의 형태는 일부 변형된 3차원 타원형 구조체 또는 다각형 구조체로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1적층면은 육각형을 형성하도록 상기 육각형의 각 모서리에 배치되는 제1구형의 빈공간; 및 상기 육각형의 중심이 되는 지점에 배치되는 중심 구형의 빈 공간을 포함하며, 상기 제1구형의 빈 공간과 상기 중심 구형의 빈 공간으로 이루어진 육각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2적층면은 상기 중심 구형의 빈 공간에 상응하는 지점을 중앙이 되는 삼각형을 형성하도록 상기 삼각형의 각 모서리에 배치되는 제2구형의 빈 공간을 포함하고, 상기 제2구형의 빈 공간으로 이루어진 삼각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1적층면과 상기 제2적층면이 교대로 연속해서 쌓아지도록 반복 배치되어 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 빈 공간의 기체나 분말을 외부에 쉽게 배출할 수 있도록 상기 빈 공간을 연결하는 실린더를 더 포함하며, 상기 실린더의 단면은 원형으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 실린더의 단면이 다각형의 형태로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 실린더의 단면의 크기가 일정하지 않고 위치마다 변하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 원통형 실린더는 반복하여 적층된 상기 제1적층면 혹은 제2 적층면에서 동일 선상에 대응되게 형성된 상기 구형의 빈 공간의 중심을 동일한 적층면에서만 연결하도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 원통형 실린더는 반복하여 적층된 상기 제1적층면 및 제 2적층면에 각각 형성된 상기 구형의 빈 공간의 중심을 서로 다른 적층면에서 서로 연결하도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 패턴이 적용되기 전의 전체 고상 부피 대비 구형 및 실린더 구조를 가지는 빈 공간 패턴의 적용에 의하여 감소된 후의 실제 고상 부피의 비율인 구조밀도가 0.36이상에서 0.7이하로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구성은 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 구성되며, 상기 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체는 상기 전술한 바인더-제트 방식 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조 중 어느 하나의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 주조 공정용 주형을 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구성은 용융온도까지 금속을 가열하는 금속가열 단계; 상기 용융금속을 응고가 되기 전에 주조 공정용 주형에 주입하는 용탕주입 단계; 및 냉각 작용에 의해 상기 용융금속이 액체상태에서 다시 고체상태로 되돌아가는 금속응고 단계를 포함하며, 상기 주조 공정용 주형은 상기 주조 공정용 주형을 이용하는 것을 특징으로 하는 주조 공정 방법을 제공한다.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 패턴 구조를 구형의 빈 공간의 밀집구조로 함으로써 주물사-바인더 혹은 왁스 등의 사용량을 줄이고 차별성 있는 경량 구조를 구현함에 있다.

상기와 같은 구성에 다른 본 발명의 또 다른 효과는 상기 경량화에도 불구하고 응력집중을 최소화 할 수 있는 구형의 빈 공간의 적층 패턴을 제공하여 주조 공정 시 일정 수준의 안전적인 강도를 유지함에 있다.

상기와 같은 구성에 다른 본 발명의 효과는 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바인더-제트 방식 3D 프린팅에 적합한 패턴구조의 제1적층면과 제2적층면의 모식도이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 바인더-제트 방식3D 프린팅에 적합한 패턴구조에 관한 모식도이다.
도3의 (a)는 실험대상으로서 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 Square Hole Array 구조이다.
도3의 (b)는 실험대상으로서 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 3D Mesh lattice 구조이다.
도4의 (a)는 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 Square Hole Array 구조를 갖는 구조물에 대하여 내부의 홀(hole) 크기의 변화에 따른 구조물의 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도4의 (b)는 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 3D Mesh lattice 구조를 갖는 구조물에 대하여 내부의 메쉬(mesh)의 두께의 변화에 따른 구조물의 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도5의 (a)는 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 3D Mesh lattice 구조에 대한 유한 요소법을 이용한 구조 시뮬레이션의 실험데이터이다.
도5의 (b)는 실제 실험결과로서 기존의 금속 3D 프린터의 경량구조 방식인 3D Mesh lattice 구조의 구조물이 파괴된 결과이다.
도6 는 3D Mesh lattice 구조를 갖는 구조물과 본 발명에 따른 구형의 빈 공간 적층구조(Void Cylinder Array)를 갖는 구조물에 대하여 구조 밀도에 따른 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도7은 본 발명의 일실시예에 따른 바인더-제트 방식 3D 프린팅에 적합한 패턴구조로 이루어진 주조 공정용 주형을 이용한 주조 공정 방법에 관한 흐름도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

금속을 녹여 액체로 만들어 이를 형에 부어 굳히는 가공 방법을 주조 공정이라고 한다. 가장 널리 쓰이는 금속 가공 공정 중 하나인 주조공정은 모래나 왁스소재의 주형을 필요로 하며 주형은 보통 목형 제작부터 시작된다.

다만, 최근 3D 프린팅 기술 중 주물사 바인더-제트(Binder-Jet) 기술은 모래 주형인 사형을 목형 없이 제작할 수 있게 하였다. 그러나 상기 기술은 사용 소재 및 공정에 들어가는 비용이 매우 고가이며, 공정 과정에 많은 시간이 요구되어 기존의 목형법을 완전히 대체하는 것에 있어 한계를 보이고 있다.

따라서 본 발명은 바인더-제트(Binder-Jet) 3D프리팅 시에 위해 고유의 패턴 구조를 형성하여 부피를 감소시킴으로써 모래나 왁스 등의 기존 소재의 사용량을 줄이기 위한 경량 구조 기술을 제안한다. 이를 통해 사용 소재량 및 공정 시간을 단축시켜 주형 제작에 있어서 3D 프린팅 공정의 확산을 도모하고자 한다.

또한, 경량화를 위한 고유의 구조로써 성형체의 부피를 감소시키면서도, 운송과정 및 주조 공정 시, 경량화 패턴내의 의 특정 부위에 응력이 집중되는 것을 방지하여 일정 수준의 안전적인 강도를 유지하는 패턴 구조를 구현하고자 한다.

3D 프린팅은 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어 내는 제조 기술이다. 3D 프린터는 밀링 또는 절삭이 아닌 기존의 잉크젯 프린터에서 쓰이는 것과 유사한 적층 방식으로 입체물을 제작하는 장치를 말하며, 컴퓨터로 제어되기 때문에 만들 수 있는 형태가 다양하고 다른 제조 기술에 비해 사용하기 쉽다.

3D 프린터는 목적에 따라서 후가공 과정이 달리질 수 있으므로, 그 종류를 달리하여 공정을 진행하는 것이 중요하다. 그 중에서 전술한 바인더 분사(Binder jetting)는 분말 베드에 접착제 혹은 결합제를 분사하는 방식으로, 열로써 고상 분말을 용융시키지 아니하고 접착제를 이용하여 분말을 접합시킨다.

기존의 플라스틱 등에 대한3D 프린팅 기술은 DfAM(Design for Additive Manufacturing)을 통해 설계형상, 차원, 재료의 복잡성 등 기존의 설계와 제조 과정에서 마주치는 공정상의 제약들을 극복해 나간다.

실제로 국내외 많은 업체들은 플라스틱뿐만 아니라 금속, 탄소복합소재에 있어서, DfAM기술을 사용하여 복잡한 기능과 형상의 부품 모듈을 별도의 조립공정 없이 일체형으로 제작함은 물론, 내부구조가 복잡한 고강성, 저진동, 경량화 등의 효과를 도모하고 있다.

이하 기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량 구조방식을 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 이루어진 구조물에 적용가능성을 검토하고, 주물사의 특성을 고려하여 본 발명에 따른 기존의 방식과 차별성 있는 경량 구조 방식을 설명한다.

이를 위해 기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량 구조를 갖는 구조물과 원형의 빈 공간을 FCC, BCC, HCP의 원자 적층 형태로 적층한 구조를 갖는 구조물을 대상으로 강도 테스트 및 FEM 시뮬레이션을 실시하여 중량감소대비 강도값을 시험 비교하였다.

기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량 구조를 세라믹 및 세라믹 폴리머-복합체 구조에 적용한 실험 결과는 실험대상이 도시된 도3와 실혐결과 그래프가 도시된 도4을 통해 자세히 설명한다.

도3는 시험 샘플 대상으로서 대상 (a)는 기존의 금속 3D 프린터 내부 구조물의 구조로서 정사방형으로 구멍이 배열된 Square Array Hole 구조의 타입1 를 도시하며, 대상 (b)는 상하부면이 메쉬의 격자(Lattice)를 이루고 있는3D mesh with pads 구조를 갖는 타입2을 도시한다.

도4은 상기 타입1과 타입2에 대한 강도 실험 결과로서, 그래프 (a)는 상기 타입1 구조 내부의 홀(hole)의 크기를 변화시면서 얻은 강도 데이터를 도시하고 있으며, 그래프 (b)는 상기 타입2 구조 내부의 메쉬(mesh)의 두께를 변화시키면서 얻은 강도데이터를 도시하고 있다.

상기 그래프 (a)의 결과로 보아, 3D프린팅을 실시 경량화 구조를 만들기 위하여 홀(hole)의 크기를 크게 하는 경우 강도 값이 크게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 또한 상기 그래프 (b)의 결과로 보아 메쉬(mesh)의 두께가 얇아지게 되면 역시 구조물의 강도 값이 크게 저하되는 문제가 발생하는 것을 알 수 있다.

도5의 그림(a)는 구조 시뮬레이션의 결과로서 시간 당 변위 인가 후 샘플의 3D 및 2D 응력 분포결과를 도시하고 있다. 상기 구조 시뮬레이션의 목적은 유한요소법을 이용하여 샘플 주물사 시험편 내부의 응력집중을 분석하여 파단면을 예측하고, 실제 시험편의 파단을 통해 시뮬레이션과 실제 파괴를 비교해 보기 위함이다.

상기 구조 시뮬레이션에 있어, 주물사 시험편의 구조는 상하부 벌크(bulk) 구조와 중심부의 격자(Lattice) 구조로 구성되어 있으며, 상부에 실제 압축 테스트와 같은 조건인 -0.0002m/s의 속도로 상부 벌크 패드(Top bulk pad)의 상부 표면에 변형을 가하였다. 하부(Bottom)는 바닥면에 수직하게 움직이지 못하도록 제한을 두고, 평평한 부분으로는 자유롭게 움직일 수 있도록 조건을 설정한다.

상기 시험은 일정한 하중이 아니라 시간당 변위를 주는 시뮬레이션으로서 Time dependent모드로 0.1초 동안 0.01초 간격으로 진행하였다. 시뮬레이션의 결과 격자(Lattice) 구조의 각 빔(Beam)의 외곽부에 인장응력(Tensile stress)에 0.4MPa 이상이 집중되는 것을 확인할 수 있다.

본 샘플과 같은 저강도 세라믹 복합체의 경우 압축강도보다는 인장 강도에 특히 약하기 때문에, 빔(Beam)의 외곽부에 인장응력(Tensile stress)이 취약하여 파괴가 먼저 진행될 것으로 판단된다. 도5의 그림(b)에 도시된 바와 같이 실제 실험 결과 역시 빔(Beam) 외곽부가 먼저 파괴와 진행되어 이와 일치함을 확인하였다.

따라서 기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량구조 방식을 이용할 경우, 구조물의 경량화 효과에도 불구하고 3D 사선 메쉬(Mesh) 구조에서 인장응력이 집중되서 쉽게 파괴되거나 강도가 급격히 저하되는 것을 확인할 수 있다.

따라서 주물사 3D 프린터에 경량 구조물을 적용하기 위해서는 주물사의 특성을 고려하여 기존의 방식과 차별성 있는 경량 구조 방식이 필요하며, 이에 따라 응력 집중을 최소화할 수 있는 구형의 빈 공간들을 이용한 새로운 적층 패턴 구조가 요구된다.

도1과 도2은 본 발명의 일실시예에 따른 구형의 빈 공간(void)를 이용하여 구형의 원자 적층 형태로 적층한 바인더-제트 방식 3D 프린팅에 적합한 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체의 패턴 구조를 도시한다.

본 발명은 금속 원자 격자구조를 응용하여, 구형의 빈 공간이 구형의 원자 격자구조와 같이 적층하여 밀집구조를 이루는 방식으로 구성된 새로운 경량 패턴 구조를 제안한다.

본 발명의 구성은 복수의 빈 공간을 포함하도록 형성되는 제1적층면(100) 및 제2적층면(200)으로 구성되며, 상기 제2적층면(200)은 상기 제1적층면(100)의 하부에 배치되고, 상기 복수의 빈 공간은 각각 구형으로 이루어져, 상호 간에 밀집 구조를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조를 이룬다.

본 발명의 일실시예에 따라 상기 복수의 빈 공간의 형상은 구형뿐만 아니라, 적층 구조를 이루기에 적합하도록 일부 변형된 3차원 타원형 구조 또는 3차원 다각형 구조체로 이루어 지도록 할 수 있다.

또한 본 발명의 일실시예에 따라 다른 새로운 경량구조물에 대하여 구형의 빈 공간과 빈 공간 사이에 존재할 수 있는 주물사를 제거하기 위해 실린더(300)를 제작하여 연결할 수 있다. 이하 상기 복수의 구형의 빈 공간의 적층 구조 및 상기 실린더(300)에 대하여 설명한다.

자연계에서 알려진 구형체의 효율적인 적층구조는 금속 구형 원자의 격자 구조이며 체심입방격자(Body Centerd Cubic lattice, 이하 'BCC'), 면심입방격자(Face Center Cubic lattice, 이하 'FCC') 및 조밀육방구조(Hexagonal Close Packed lattice, 이하 'HCP')가 대표적이다.

체심입방격자(BCC) 구조는 입방체의 각 모서리마다 원자가 한 개씩 놓여 있고, 중심에 하나의 원자가 놓여져 있는 형태의 구조로서, 단위 격자 내에 2원자가 귀속된다. 면심입방격자(FCC) 구조는 각 모서리와 면심마다 하나씩의 원자가 놓여있는 형태의 구조로서, 단위 격자 내에 4개의 원자가 귀속된다.

조밀육방(HCP) 구조는 상부와 하부의 기저면에 육각형 면 모서리와 중심에 원자 하나씩을 놓고 상하부 기저면 사이의 중간층 격자 내에 3개의 원자가 들어가 있는 형태로서, 단위 격자 내에 6개의 원자가 귀속된다. 원자의 형태를 일반적인 구형체로 가정할 때 각 구조의 충진 밀도(Atomic Packing density)는 HCP와 BCC가 0.74로 동일하고 BCC는 0.68로 다소 낮다.

도6는 상기 구조 별 상기 구형의 빈 공간 크기와 상기 원통형 실린더(300)의 크기를 변경하여 밀도 별로 각각의 경량 구조 패턴의 압축 강도를 평가한 그래프를 도시한다. 상기 그래프는 구조밀도, 즉 전체 구조대비 빈 공간의 비율을 변수로 하여 각 구조 별로 압축 강도의 변화를 나타낸다.

도6에 도시된 바와 같이 기존의 금속의 경량 구조인3D 메쉬(Mesh) 구조의 구조물에 비해, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 구형의 빈 공간을 이용한 적층 구조(Void Cylinder Array)의 구조물이 상대적으로 높은 압축강도를 나타내는 것을 알 수 있다.

또한 상기 적층 구조 중에서도 상기 체심입방격자(BCC) 구조나 상기 면심입방격자(FCC) 구조에 비해, 상기 조밀육방(HCP) 구조가 상대적으로 높은 압축강도를 유지하는 것을 확인할 수 있다.

따라서 본 실험 그래프의 결과로서, 상기 조밀육방 (HCP) 구조가 다른 구형의 원자 적층 구조와 비교하여 구조물 내에서 구형의 빈 공간이 차지하는 비율에 비해 가장 우수한 압축 강도를 나타내므로 경량 구조물로의 적용에 가장 적합함을 알 수 있다.

이에 따라 본 발명의 일실시예는 상기 구형의 빈 공간은 상기 실험의 결과에 따라 도1 및 도2와 같이 조밀육방구조(HCP)로 적층해 나가는 것을 특징으로 할 수 있다. 보다 자세한 구형의 빈 공간의 적층 구조에 대해 이하 설명한다.

도1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예는 상기 제1적층면(100)은 육각형의 모양을 형성하며, 상기 육각형의 각 모서리에 배열되는 제1구형의 빈 공간(110) 및 상기 육각형의 중심에 배열되는 중심 구형의 빈 공간(120)을 포함하며, 상기 제1구형의 빈 공간(110)과 상기 중심 구형의 빈 공간(120)으로 이루어진 육각형이 연속적으로 연결되도록 배치되어 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제2적층면(200)은 상기 중심 구성의 빈 공간에 상응하는 지점을 중앙이 되도록 삼각형을 이루며 각각 상기 삼각형의 각 모서리에 배열되는 제2구형의 빈 공간(210)으로 구성되고, 상기 제2구형의 빈 공간(210)으로 이루어진 삼각형이 연속적으로 연결되도록 배열되어 구성되는 것을 특징으로 수 있다.

그리고 도2에 도시된 바와 같이 상기 제1적층면(100)과 상기 제2적층면(200)이 교대로 연속해서 쌓아지도록 반복 배치되어 구성됨으로써 상기 구형의 빈 공간을 HCP구조와 같이 적층하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 전술한 바와 같이 상기 빈 공간의 기체나 분말을 외부에 쉽게 배출할 수 있도록 상기 빈 공간을 연결하는 실린더를 더 포함하며, 상기 실린더의 단면은 원형으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 필요에 따라 다른 적층면간에 실린더(300)를 연결할 수 있다.

상기 실린더(300)을 통해 주조 공정용 주형 제작 또는 이를 이용한 주조 공정 시, 상기 구형의 빈 공간에 남을 수 있는 기체나 분말들을 용이하게 배출할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따라 상기 실린더(300)는 원통형으로 이루어지는 것뿐만 아니라, 상기 실린더(300)의 단면을 다각형의 형태로 이루어지도록 할 수 있다. 또한 상기 실린더(300)가 원뿔의 형상과 유사하게 상기 실린더(300)의 단면이 일정하게 유지되지 않고 위치마다 변하는 것을 특징으로 할 수 있다.

전술한 도6의 주물사의 밀도에 따른 시험편의 압축강도 시험의 결과에 따라, 상기 본 발명의 일실시예에 따른 구형의 빈 공간들의 조밀육방(HCP) 패턴구조는 패턴이 적용되기 전의 전체 고상 부피 대비 구형 및 실린더 구조를 가지는 빈 공간 패턴의 적용에 의하여 감소된 후의 실제 고상 부피의 비율, 즉 구조밀도가 0.36이상 0.7이하에서 압축강도 데이터를 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 일실시예는 구조밀도가 0.36 이상 0.7인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명의 일실시예는 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 이뤄진 주조 공정용 주형으로서, 상기 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체는 상기 본 발명의 상기 구형의 빈 공간이 조밀육방(HCP) 구조로 적층된 패턴 구조로 이루어지는 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명의 일실시예는 주조 공정 방법으로서 금속을 용융온도까지 가열하는 단계(S100); 상기 용융금속을 응고가 되기 전에 주조 공정용 주형에 주입하는 단계(S200) 및 냉각 작용에 의해 상기 용융금속이 액체 상태에서 다시 고체상태로 되돌아가는 단계(S300)를 포함하며, 상기 주조 공정용 주형은 본 발명의 일실시예에 따른 상기 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체가 상기 본 발명의 상기 구형의 빈 공간이 조밀육방(HCP) 구조로 적층된 패턴구조로 이루어진 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체를 갖는 주조 공정용 주형으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이 경우 상기 용탕의 주입 공정 단계(S200)에 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 경량화 패턴 구조로 형성된 주형이 활용되며, 이후 상기 금속 응고 공정(S300)까지 사형이 열적 및 기계적 안정성을 유지하여야 한다.

이에 따라 주물사 바인더-제트(Binder-Jet) 3D 프린팅 시에 구조물에 본 발명에 따른 새로운 적층 패턴 구조를 적용함으로써 구조물의 경량화를 도모하여 그 사용 소재량 및 공정시간을 단축시킴과 동시에 일정 수준의 안전적인 강도를 유지하도록 하여 주형 제작에 있어서 3D 프린팅을 활용한 공정이 확산될 것으로 기대된다.

또한 본 발명은 금속과 플라스틱 소재의 3D 프린팅을 위한 경량화 기법인 DfAM(Design for Additive Manufacturing)을 주형 제작을 위한 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 확장시킨다는 점에서 의의가 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 제1적층면
110: 제1구형의 빈 공간
120: 중심 구형의 빈 공간
200: 제2적층면
210: 제2구형의 빈 공간
300: 실린더

Claims (13)

1. 3D 프린팅용 3차원패턴 구조에 있어서,
   복수의 빈 공간을 포함하도록 형성되는 제1적층면 및 제2적층면으로 구성되며,
   상기 제2적층면은 상기 제1적층면의 하부에 배치되고,
   상기 복수의 빈 공간은 각각 구형으로 이루어져, 상호 간에 밀집 구조를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 빈 공간의 형태는 일부 변형된 3차원 타원형 구조체 또는 다각형 구조체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1적층면은
   육각형을 형성하도록 상기 육각형의 각 모서리에 배치되는 제1구형의 빈공간; 및
   상기 육각형의 중심이 되는 지점에 배치되는 중심 구형의 빈 공간을 포함하며,
   상기 제1구형의 빈 공간과 상기 중심 구형의 빈 공간으로 이루어진 육각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제2적층면은
   상기 중심 구형의 빈 공간에 상응하는 지점을 중앙이 되는 삼각형을 형성하도록 상기 삼각형의 각 모서리에 배치되는 제2구형의 빈 공간을 포함하고,
   상기 제2구형의 빈 공간으로 이루어진 삼각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1적층면과 상기 제2적층면이 교대로 연속해서 쌓아지도록 반복 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 빈 공간의 기체나 분말을 외부에 쉽게 배출할 수 있도록 상기 빈 공간을 연결하는 실린더를 더 포함하며,
   상기 실린더의 단면은 원형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 실린더의 단면이 다각형의 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 실린더의 단면의 크기가 일정하지 않고 위치마다 변하는 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
   
9. 제6항에 있어서,
   상기 원통형 실린더는 반복하여 적층된 상기 제1적층면 혹은 제2 적층면에서 동일 선상에 대응되게 형성된 상기 구형의 빈 공간의 중심을 동일한 적층면에서만 연결하도록 형성된 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
   
10. 제6항에 있어서,
    상기 원통형 실린더는 반복하여 적층된 상기 제1적층면 및 제 2적층면에 각각 형성된 상기 구형의 빈 공간의 중심을 서로 다른 적층면에서 서로 연결하도록 형성된 것을 특징으로 하는 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 패턴이 적용되기 전의 전체 고상 부피 대비 구형 및 실린더 구조를 가지는 빈 공간 패턴의 적용에 의하여 감소된 후의 실제 고상 부피의 비율인 구조밀도가 0.36이상에서 0.7이하로 하는 것을 특징으로 바인더-제트 방식 3D 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조.
    
12. 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체로 구성되며,
    상기 세라믹 및 세라믹-폴리머 복합체는 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 바인더-제트 방식 프린팅용 3차원 경량화 패턴 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 주조 공정용 주형.
    
13. 용융온도까지 금속을 가열하는 금속가열 단계;
    상기 용융금속을 응고가 되기 전에 주조 공정용 주형에 주입하는 용탕주입 단계; 및
    냉각 작용에 의해 상기 용융금속이 액체상태에서 다시 고체상태로 되돌어 가는 금속응고 단계를 포함하며,
    상기 주조 공정용 주형은 제12항의 주조 공정용 주형을 이용하는 것을 특징으로 하는 주조 공정 방법.
    

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