KR20200070073A - 적층 제조방법 및 적층 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압출식 적층제조 공정과 후 치밀화 공정에서 부품 지지기능을 강화한 적층 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 적층 제조방법은, (a) 적층 모델에 따라 분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 압출과 상기 압출된 피드스탁이 형상을 유지할 수 있도록 하는 그래뉼 층을 형성하여 적층함으로써, 그린 성형체와 그래뉼 층을 포함하는 분말 베드를 제조하는 단계; (b) 상기 분말 베드를 소정 온도로 가열하여, 상기 그린 성형체에 포함된 바인더를 탈지하는 단계; 및 (c) 상기 탈지된 그린 성형체를 치밀화하는 단계;를 포함한다.

Description

적층 제조방법 및 적층 제조장치 {ADDITIVE MANUFACTURING METHOD AND AN APPRATUS FOR ADDITIVE MANUFACTURING}
본 발명은 압출식 적층제조 공정에서 부품 지지기능을 강화한 적층 제조방법과 적층 제조장치에 관한 것이다.
압출식 적층제조 기술은 주로 열 가소성 폴리머를 이용하여 제품을 제조하는 기술이 상용화되어 있으나, 최근, 금속, 세라믹 혹은 복합소재를 열 가소성 폴리머와 함께 균질 혼합한 피드스탁(feedstock)을 압출기를 통해 압출하여 적층제조하는 기술이 상용화되기 시작하고 있다.
피드스탁을 이용한 압출식 적층제조기술은 그 자체가 특수한 목적으로 제조되는 경우가 있으나, 대부분의 경우 분말야금이나 주조기술을 이용하여 후 치밀화를 수행하는 과정을 통해 단상 혹은 다층 구조 및/또는 경사 구조를 가지는 금속 제품, 세라믹 제품 혹은 복합소재 제품을 제조한다.
이러한 압출식 적층제조를 위해서는, 3차원 제품을 일정한 높이의 2차원 패턴으로 나누고, 2차원 패턴을 3차원 제품을 형성하기 위한 분말과 이 분말에 결합력을 부여하는 바인더를 혼합한 혼합물을 압출 방식으로 가압하여 적층한다. 이 방식의 적층제조은 복잡한 형상을 가지는 제품을 제조할 경우, 제품에 형상 구현에 필요한 구조물 외에, 제품의 복잡한 형상을 유지하기 위해 추가적으로 적층 과정의 기계적 하중을 지지하기 위한 '서포트'라는 소모성 구조물이 필요하다.
도 1에는 오버행을 가지는 3차원 모델과 이의 적층제조를 위해서 서포트 구조를 적용하여 전처리된 출력을 위한 3차원 모델을 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 오버행을 가지는 복잡한 3차원 모델을 적층하기 위해서는, 3차원 CAD 파일에 추가적으로 구조물의 안정성 해석이 필요하거나 별도의 프로그램을 이용하여 서포트 디자인을 생성하는 단계가 필요하다. 그런데, 이러한 서포트를 사용하게 되면, 서포트 소재의 소모, 서포트 생성과 관련한 추가 공정의 발생(서포트 적층공정 및 서포트 제거공정)과 서포트 제거 과정에서의 제품의 손상 등이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
한편, 압출적층 제조된 그린(green) 성형체는 주로 열 탈지의 과정을 거치는데, 이 과정에서 폴리머 바인더가 열분해 제거되어 탈지체(brown body)의 강도가 떨어지게 된다. 그러므로, 탈지 과정에서 분말에 소결-넥(sinter-neck)을 형성하는 가소결을 통해서 탈지체에 일정한 강도를 부여하여야만 후속 치밀화의 과정에서의 취급이 용이해지고 성형 상태를 안정적으로 유지할 수 있다. 그런데, 가소결 온도가 높거나 성형체의 성형밀도가 낮은 경우에는 충분한 탈지체 강도를 가지지 못하게 되어 후속공정이 기술적으로 어려워질 수 있다. 또한, 피드스탁 내의 바인더의 구성물은 탈지 과정에서 제품의 형상을 안정적으로 유지하게 하기 위해서 열분해 온도 측면에서 계층적인 온도구배를 가지는 복잡한 계(system)로 구성된다. 이러한 복잡한 바인더 시스템은 탈지공정의 속도를 매우 느리게 하여 생산성을 낮추는 율속 단계가 되고 있다.
미국 공개특허공보 제10,059,031호
본 발명의 과제는, 별도의 서포트 디자인이 필요하지 않으면서, 압출식 적층제조 과정에서 성형체의 형상을 안정적으로 유지할 수 있고, 후속되는 탈지속도도 개선할 수 있는 적층 제조방법를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상기 압출식 적층 제조방법을 구현할 수 있도록 하는 적층 제조장치를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면은, (a) 적층 모델에 따라 분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 압출과 상기 압출된 피드스탁이 형상을 유지할 수 있도록 하는 그래뉼 층을 형성하여 적층함으로써, 그린 성형체와 그래뉼 층을 포함하는 분말 베드를 제조하는 단계; (b) 상기 분말 베드를 소정 온도로 가열하여, 상기 그린 성형체에 포함된 바인더를 탈지하는 단계; 및 (c) 상기 탈지된 그린 성형체를 치밀화하는 단계;를 포함하는 적층 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2 측면은, 분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 공급하는 공급수단과, 분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 압출하는 압출기와, 그래뉼을 공급하는 공급수단과, 상기 공급수단으로부터 공급된 그래뉼을 사용하여 상기 압출기에 의해 적층된 부분을 제외한 부분에 그래뉼 층을 형성하는 리코터와, 상기 압출기에 의해 압출된 피드스탁와 상기 그래뉼 층이 형성되는 베드를 매 적층에 맞추어 높이를 조절하는 높이 조절수단을 포함하고, 상기 압출기를 통해 적층된 그린 성형체가 상기 그래뉼 층에 의해 지지되도록 하는, 적층 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 서포트 모델링 및 서포트 생성과 같은 복잡한 공정을 수행하지 않아도, 그린 성형체의 형상을 안정적으로 유지할 수 있도록 하는 지지가 가능하게 된다.
또한, 기존의 압출식 적층제조에서는 고온의 바인더의 사용이 필수적으로 요구되고, 고온 탈지 공정에 의한 열변형의 문제가 발생할 수 있어 온도제어가 요구되었으나, 본 발명에 의하면, 그래뉼 베드의 사용에 의해 형상이 그대로 유지되므로, 압출식 적층제조를 위한 피드스탁(feedstock)의 설계에서 저온과 고온 바인더를 포함하는 혼합 바인더 시스템이 아닌 단상의 저온 바인더를 활용할 수 있어 바인더 시스템의 단순화, 피드스탁 제조의 편의성, 재활용 편의성이 개선될 수 있다.
또한, 저온 바인더를 사용하기 때문에 탈지 과정에서 발생할 수 있는 열변형을 원천적으로 줄일 수 있고, 동시에 그래뉼 베드를 구성하는 물질의 낮은 열전도도로 인해 제품의 온도구배를 저감하여 잔류응력 발생도 최소화할 수 있다.
또한, 탈지체 제조시 기존 공정은 서포트를 화학적 또는 기계적인 방법으로 제거하는 과정이 필수적으로 요구되는데, 이 과정에 많은 시간이 소요될 뿐 아니라, 성형체의 손상이 발생할 수 있는데, 본 발명에 따른 그래뉼 베드는 손쉽게 분리가 가능하고, 이 과정에 성형체의 형상에 손상을 가하지 않게 되어, 제품 품질이 향상될 수 있다.
도 1a는 3차원 제품 모델을 예시한 것이다.
도 1b는 도 1a의 제품을 제조하기 위한, 오버행 5° 이상의 서포트를 적용한 예를 나타낸 것이다.
도 1c는 도 1a의 제품을 제조하기 위한, 오버행 70° 이상의 서포트를 적용한 예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 압출식 적층 제조장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 압출식 적층 제조장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 압출식 적층 제조 공정도이다.
도 5는 후치밀화된 후, 지지용 분말을 제거하는 과정을 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 적층 제조방법은, (a) 적층 모델에 따라 분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 압출과 상기 압출된 피드스탁이 형상을 유지할 수 있도록 하는 그래뉼 층을 형성하여 적층함으로써, 그린 성형체와 그래뉼 층을 포함하는 분말 베드를 제조하는 단계와, (b) 상기 분말 베드를 소정 온도로 가열하여, 상기 그린 성형체에 포함된 바인더를 탈지하는 단계 및 (c) 상기 탈지된 그린 성형체를 치밀화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 적층 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계와 (c) 단계의 사이에 탈지된 그린 성형체를 소결하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 적층 제조방법에 있어서, 상기 분말은 금속, 세라믹, 또는 이들의 복합물로 이루어질 수 있다.
상기 적층 제조방법에 있어서, 상기 바인더는 고온 바인더를 포함하지 않을 수 있다. 본 발명에 있어서 '고온 바인더'란 400℃ 이상의 온도로 가열되어야만 분해되어 제거될 수 있는 바인더를 의미한다.
상기 적층 제조방법에 있어서, 상기 피드스탁의 고상율(즉, 전체 피드스탁에서 바인더를 제외한 분말이 차지하는 부피비율)은 성형하고자 하는 제품에 따라 달라질 수 있으나, 본 발명에서는 열 탈지과정에서 그래뉼 분말에 의해 기계적인 지지가 가능하므로 열 탈지과정에서 공정 속도를 좌우하는 바인더 성분의 함량을 최소화할 수 있으므로, 부피비율로 55 ~ 65% 포함시킬 수 있다.
상기 적층 제조방법에 있어서, 상기 그래뉼은 소정 직경을 갖도록 펠릿화된 것을 사용할 수 있다. 펠릿화된 그래뉼은 유동성이 우수하므로, 리코터에 의해 그래뉼 층이 형성될 때, 우수한 편평도를 구현할 수 있다.
상기 적층 제조방법에 있어서, 상기 그래뉼은 탈지 및 치밀화 공정에서 상기 분말과의 화학적 반응이 쉽게 일어나지 않는 물질인, 예를 들어 산화물, 질화물 또는 산질화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 적층 제조방법에 있어서, 상기 그래뉼은 실질적으로 구형의 형상을 가지고, 그 직경은 형성되는 그래뉼 층 두께의 1/2 ~ 1/5인 것이 그래뉼 층을 형성하기에 용이하므로 바람직하다.
상기 적층 제조방법에 있어서, 상기 피드스탁을 압출하여 적층한 부분의 표면은, 상기 그래뉼 층에 비해 높게 형성되며, 상기 높이 차이는 상기 그래뉼 직경의 1/3 ~ 1/2인 것이 바람직하다.
상기 적층 제조방법에 있어서, 상기 그래뉼에는 분말의 산화를 억제하는 산화억제제를 포함할 수 있으며, 이 경우 탈지 및 치밀화 공정에서 분말의 산화를 억제하여, 보다 우수한 품질의 제품을 제조할 수 있다.
상기 적층 제조방법에 있어서, 상기 (c) 단계도 그래뉼을 제거하지 않은 상태로 수행될 수 있다.
상기 적층 제조방법에 있어서, 상기 탈지된 성형체를 치밀화하는 단계를 용융 금속 함침으로 진행할 경우, 적층 과정에 용융 금속의 함침 경로를 적층하며, 상기 함침 경로는 상기 용융 함침 금속과의 젖음성이 우수한 물질로 이루어진 분말로 별도로 압출 적층할 수 있다. 이와 같이 용융 함침 경로를 형성할 경우, 용융 함침 공정이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 적층 장치는, 분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 공급하는 공급수단과, 분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 압출하는 압출기와, 그래뉼을 공급하는 공급수단과, 상기 공급수단으로부터 공급된 그래뉼을 사용하여 적층 모델에 따라 그래뉼 층을 형성하는 리코터와, 상기 압출기에 의해 압출된 피드스탁와 상기 그래뉼 층으로 이루어진 분말 베드의 높이를 조절하는 분말베드 높이 조절수단을 포함하고, 상기 압출기를 통해 적층된 그린 성형체가 상기 그래뉼 층에 의해 지지되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 장치는, 추가로 상기 분말 베드의 가장자리를 따라 형성되는 가이드와, 상기 가이드를 따라 이동 가능하게 결합되는 제1 가동부재와, 상기 제1 가동부재에는 상기 압출기가 상기 제1 가동부재를 따라 이동 가능하게 결합되고, 상기 가이드를 따라 상기 리코터가 이동 가능하게 결합될 수 있다.
[실시예]
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 압출식 적층 제조장치의 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 압출식 적층 제조장치의 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적층 제조방법을 수행하기 위한 적층 제조장치(1)는, 크게 분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 공급하는 피드스탁 공급수단(10)과, 분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 압출하는 압출기(20)와, 상기 그래뉼을 공급하는 그래뉼 공급수단(30)과, 상기 그래뉼 공급수단(30)으로부터 공급된 그래뉼을 사용하여 적층 모델에 따라 그래뉼 층을 형성하는 리코터(40)와, 상기 압출기(20) 및 리코터(40)를 수평의 x-y 방향으로 이동시킬 수 있도록 하는 수평 이동수단(50)과, 상기 피드스탁과 그래뉼 층이 형성되는 분말 베드를 적층 단계에 맞추어 이동시키는 수직 이동수단(60)을 포함하여 이루어진다.
상기 피드스탁 공급수단(10)은, 분말과 바인더가 필라멘트 형태로 성형된 것을 거치할 수 있는 거치대(11)와, 상기 거치대(11)에 거치된 릴 형상의 필라멘트 릴(12)을 포함하여 이루어진다.
상기 압출기(20)는, 상기 필라멘트를 가열하는 가열수단(21)과, 상기 가열수단(21)에 의해 유동성이 부여된 필라멘트를 가압하여 배출하는 노즐(22)을 포함하여 이루어진다. 본 발명의 실시예에서는 1개의 압출기를 사용하는 예를 제시하였으나, 2 이상의 압출기를 동시에 사용할 수도 있다.
상기 그래뉼 공급수단(30)은, 그래뉼을 수용하는 용기(31)와, 상기 그래뉼을 상기 분말베드의 일 측에 선형적으로 배출하는 배출구(32)를 포함하여 이루어진다.
상기 리코터(40)는 상기 수평 이동수단(50)에 안내되어 배출된 그래뉼을 펼쳐 상기 피드스탁이 적층된 층을 제외한 부분에 그래뉼 층을 형성한다.
상기 수평 이동수단(50)은, 상기 분말 베드의 가장자리를 따라 상기 리코터(40)가 이동하는 방향으로 연장 형성되는 한 쌍의 제1 가이드(51)와, 상기 제1 가이드(51)를 따라 이동하게 배치되는 제2 가이드(52)와, 상기 제2 가이드(52)의 양 단부에 결합되며 상기 제1 가이드(51)에 이동 가능하게 결합되고 상기 제2 가이드(52)가 상기 제1 가이드(51)를 따라 이동하도록 구동시키는 제1 구동모터(53)와, 상기 압출기(20)에 결합되며 상기 제2 가이드(52)에 이동 가능하게 결합되고 상기 압출기(20)가 상기 제2 가이드(52)를 따라 이동하도록 구동시키는 제2 구동모터(54)와, 상기 리코터(40)의 양 단부에 결합되며 상기 제1 가이드(51)에 이동 가능하게 결합되고 상기 리코터(40)가 상기 제1 가이드(51)를 따라 이동하도록 구동시키는 제3 구동모터(55)를 포함한다. 상기 제1 구동모터(53) 내지 제3 구동모터(55)는 리니어 모터일 수 있다.
상기 수직 이동수단(60)은, 분말베드를 형성하는 플레이트(61)와 상기 플레이트(61)의 하부에 배치되어 상기 플레이트(61)를 상,하로 구동하는 피스톤(62)을 포함하여 이루어진다. 상기 피스톤(62)은 베드가 1층씩 적층될 때마다 1층의 두께만큼 하부로 이동시킨다.
상기 수직 이동수단(60)은 분말베드를 수용하는 용기(70) 내에 수용되며, 상기 용기(70)의 일측에는 슬라이드식 도어(71)이 형성되어 있어, 적층 제조가 완료된 분말베드를 취출할 수 있도록 되어 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 압출식 적층 제조 공정도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적층 제조방법은, 3차원 모델을 생성하는 단계(S110), 피드스탁을 준비하는 단계(S120), 상기 피드스탁을 압출 적층 및 그래뉼 층 형성 단계(S130), 바인더 탈지 단계(S140), 후 치밀화 단계(S150), 후가공 단계(S160)를 통해 최종적으로 3차원 완제품을 얻는다.
구체적으로, 3차원 모델을 생성하는 단계(S110)에서는, 출력하고자 하는 제품의 적층 모델을 생성하는 단계이다. 이때, 후 치밀화 공정으로 용융 금속 함침을 사용할 경우, 용융 금속이 함침되는 경로에 대한 적층 모델도 함께 수립한다. 한편, 실시예에서는 단순히 그래뉼을 도포하기만 하면 되므로, 종래의 압출식 적층 제조에서 필요하였던 복잡한 서포트 구조 모델링이 필요하지 않게 된다.
상기 피드스탁을 준비하는 단계(S120)은, 3차원 적층 분말의 특성에 맞추어, 바인더 조성, 바인더의 첨가량, 스테아린산과 같은 첨가제 첨가 여부와 첨가량 등을 설계하는 단계이다. 본 발명의 실시예에서는 그래뉼 층의 존재로 인해, 저온 바인더와 고온 바인더를 혼합하는 혼합 바인더 시스템이 아닌, 저온 바인더만을 활용할 수가 있으므로, 바인더 시스템의 단순화와 함께, 피드스탁 제조의 편의성, 재활용 편의성이 개선될 수 있다.
상기 피드스탁을 압출 적층 및 그래뉼 층 형성 단계(S130)에서는, 적층 모델에 따라 상기 압출기(30)를 사용하여 피드스탁을 소정 형상으로 압출하고, 동시에 피드스탁이 압출된 부분을 제외한 나머지 부분에 리코터(40)를 사용하여 그래뉼을 도포하여 그래뉼 층을 형성한다. 즉, 본 발명의 실시예의 경우, 종래 압출식 적층 제조방법에 필요하였던 서포트 적층 단계가 생략되는 반면, 그래뉼 분말 도포 단계가 추가되는 것이다.
기존의 압출식 적층제조에서는 고온의 바인더를 국부 영역에 적층하는 방식으로 성형체를 제조하므로 열변형의 문제가 발생할 수 있어 온도제어가 요구된다. 그러나, 그래뉼 베드를 이용하는 경우 저온 바인더를 이용할 수 있어 열 변형이 원천적으로 저감되는 동시에 그래뉼 베드의 낮은 열전도도로 제품의 온도구배를 저감하여 잔류응력발생이 최소화되는 효과를 얻을 수 있다.
상기 그래뉼 층을 구성하는 그래뉼 분말은 적층과정에서 적층물과 반응하지 않으면서 적층물을 구조적으로 지지할 수 있도록 충분히 높은 그래뉼 분말 베드 밀도를 가질 수 있어야 한다. 또한, 그래뉼 분말은 반복적으로 사용되고 후공정 과정에서 지속적으로 사용되므로, 후 공정 과정에서 제품을 구성하는 물질과 반응이 이루어지지 않아야 하며 그래뉼 분말 자체도 상호간에 소결 등의 반응이 이루어지지 않아야 한다. 이러한 이유로, 그래뉼 분말은 산화물, 산질화물, 질화물과 같은 물질이 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 적층 제조된 성형체를 후공정하는 과정에 산화가 발생하는 것을 억제할 필요가 있는 경우, 그래뉼은 산화물과 같은 세라믹으로 이루어진 분말과 함께 산소에 대한 친화력이 높은 소재의 분말을 적층 과정에 함께 첨가할 수도 있다. 또한, 적층 공정이 종료된 이후에 성형체가 포함된 분말 베드에 액상의 슬러리 형태로 산화 억제제를 분사할 수도 있다.
또한, 그래뉼 분말은 실질적으로 구형으로 이루어지는 것이 분말의 유동성을 확보하는데 바람직하다.
또한, 분말을 베드의 표면에 일정한 두께의 층으로 구현하기 위해서, 그래뉼 분말의 크기(직경)는 베드 층의 높이와 분말의 크기 비율이 중요하다. 그래뉼 분말 베드 층의 높이는 압출식 적층제조를 수행하는 경우 3차원 모델을 적층 높이 방향으로 슬라이싱하는 2차원 패턴의 높이와 동일하다. 본 발명의 실시예에서 1층의 적층 두께는 0.1 ~ 1mm 범위를 대상으로 한다. 이때, 그래뉼 분말의 직경(크기)는 압출 적층 높이와 동일한 분말베드 두께의 1/5 ~ 1/2 크기로 하는 것이 바람직하다.
또한, 그래뉼 층 형성 시에는 상기 1층의 적층 두께가 결정될 경우, 그래뉼 분말 크기가 상기 범위 내로 지정되고, 이에 맞추어 그래뉼 분말 공급장치가 선택되도록 설정된다.
또한, 그래뉼 분말의 적층시 그래뉼 분말이 적층되는 적층물(즉, 피드스탁 압출물)의 표면에 잔류하게 될 경우 건전한 적층이 이루어지기 어렵기 때문에, 적층물의 높이가 분말베드로부터 분말입자 크기의 1/3 ~ 1/2 높이만큼 돌출되는 상태로 분말의 적층이 완료되도록 전개되는 것이 바람직하다. 이에 맞추어 분말층을 형성하는 리코터의 높이가 지정된다.
상기 바인더 탈지 단계(S140)에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 그래뉼 분말과 피드스탁을 포함하는 분말베드를 적층 제조장치(1)로부터 취출한 후, 분말베드에서 그래뉼 분말을 분리하지 않고 그 상태로 로(furnace)에 장입하여 가열하는 방식으로 이루어진다. 탈지 온도는 사용되는 바인더의 종류에 따라 다르게 설정할 수 있다. 상기 분말베드는 상기 적층 제조장치(1) 내부의 일측에 형성된 베드 이송수단(미도시)를 사용하여 자동적으로 컨베이어 벨트로 이송되게 할 수 있다.
한편, 탈지된 성형체를 구성하는 분말 간의 결합력을 탈지 상태보다 더 증대된 상태가 요구되는 경우, 상기 후 치밀화 단계(S150)를 수행하기 전에, 탈지체를 고온에서 가소결하여 분말 간에 소결 넥(sinter neck)이 형성되도록 할 수 있다.
상기 후 치밀화 단계(S150)에서는, 탈지체를 소결하여 밀도를 높이거나, 탈지체에 용융 금속을 투입하는 방식으로 치밀화할 수 있다.
용융금속 함침의 과정을 통해서 분말베드에서 공정을 수행하는 경우에는 함침하고자 하는 용융금속이 제품에 까지 전달될 수 있는 경로를 동시에 출력하는 방법이 효과적이다. 이 경우 함침하는 금속의 이동경로는 제품을 구성하는 물질과 동일한 물질로 형성되는 것이 일반적이나 더 바람직하게는 이종 노즐을 통해서 함침금속과 젖음성이 매우 우수하나 반응이 없는 소재를 이용하여 이송경로를 제조한다.
도 5는 후치밀화된 후, 지지용 그래뉼 분말을 제거하는 과정을 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 치밀화 공정이 완료된 후에는 그래뉼 분말을 제거하게 되면, 치밀화된 성형체만을 분리할 수 있다. 이때 그래뉼 분말 간에는 결합력이 낮기 때문에, 쉽게 분리가 가능하게 되다.
상기 후가공 단계(S160)에서는, 용융 금속이 함침되어 치밀화된 제품은 그 조직의 균일화나 물성 향상을 위한 후열처리, 성형된 제품의 치수 정밀도를 높이기 위한 기계 가공, 또는 표면처리 등이 행해질 수 있다.
10: 피드스탁 공급수단, 11: 거치대
12: 필라멘트 릴, 20: 압출기
21: 가열수단, 22: 노즐
30: 그래뉼 공급수단, 31: 용기
32: 배출구 40: 리코터
50: 수평 이동수단 51: 제1 가이드
52: 제2 가이드 53: 제1 구동모터
54: 제2 구동모터 55: 제3 구동모터
60: 수직 이동수단 61: 플레이트
62: 피스톤 70: 하우징
71: 개패구

Claims (15)

  1. (a) 적층 모델에 따라 분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 압출과 상기 압출된 피드스탁이 형상을 유지할 수 있도록 하는 그래뉼 층을 형성하여 적층함으로써, 그린 성형체와 그래뉼 층을 포함하는 분말 베드를 제조하는 단계;
    (b) 상기 분말 베드를 소정 온도로 가열하여, 상기 그린 성형체에 포함된 바인더를 탈지하는 단계; 및
    (c) 상기 탈지된 그린 성형체를 치밀화하는 단계;를 포함하는 적층 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계와 (c) 단계의 사이에 탈지된 그린 성형체를 소결하는 단계를 추가로 포함하는, 적층 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분말은 금속, 세라믹, 또는 이들의 복합물로 이루어진, 적층 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 바인더는 고온 바인더를 포함하지 않는, 적층 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피드스탁은 상기 분말을 부피비율로 55 ~ 65% 포함하는, 적층 제조방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그래뉼은 소정 직경을 갖도록 펠릿화된 것인, 적층 제조방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그래뉼은 산화물, 질화물 또는 산질화물로 이루어지는, 적층 제조방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그래뉼은 상기 (b) 단계와 (c) 단계에서, 실질적으로 상기 분말과 반응하지 않는 물질로 이루어진, 적층 제조방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그래뉼은 실질적으로 구형의 형상을 가지고, 그 직경은 형성되는 그래뉼 층 두께의 1/2 ~ 1/5인, 적층 제조방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피드스탁을 압출하여 적층한 부분의 표면은, 상기 그래뉼 층에 비해 높게 형성되며, 상기 높이 차이는 상기 그래뉼 크기의 1/3 ~ 1/2인, 적층 제조방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그래뉼에는 추가로 산화를 억제하는 산화억제제를 포함하는, 적층 제조방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 그래뉼을 제거하지 않은 상태로 수행되는, 적층 제조방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탈지된 성형체를 치밀화하는 단계를 용융 금속 함침으로 진행할 경우, 적층 과정에 용융 금속의 함침 경로를 적층하며,
    상기 함침 경로는 상기 용융 함침 금속과의 젖음성이 우수한 물질로 이루어진 분말로 별도로 압출 적층하는, 적층 제조방법.
  14. 분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 공급하는 공급수단과,
    분말과 바인더를 포함하는 피드스탁을 압출하는 압출기와,
    그래뉼을 공급하는 공급수단과,
    상기 공급수단으로부터 공급된 그래뉼을 사용하여 적층 모델에 따라 그래뉼 층을 형성하는 리코터와,
    상기 압출기에 의해 압출된 피드스탁와 상기 그래뉼 층으로 이루어진 분말 베드의 높이를 조절하는 분말베드 높이 조절수단을 포함하고,
    상기 압출기를 통해 적층된 그린 성형체가 상기 그래뉼 층에 의해 지지되도록 하는, 적층 제조장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 분말 베드의 가장자리를 따라 형성되는 가이드와,
    상기 가이드를 따라 이동 가능하게 결합되는 제1 가동부재와,
    상기 제1 가동부재에는 상기 압출기가 상기 제1 가동부재를 따라 이동 가능하게 결합되고,
    상기 가이드를 따라 상기 리코터가 이동 가능하게 결합되는, 적층 제조장치.
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