KR20210028617A

KR20210028617A - 금속 제품의 표면 처리 방법

Info

Publication number: KR20210028617A
Application number: KR1020210024636A
Authority: KR
Inventors: 박광석; 박형기; 서보성; 나태욱; 양승민; 이택우; 강장원; 이창우
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2021-03-12
Also published as: KR102340440B1

Abstract

조도와 치수 변화를 최소화할 수 있는 치아용 임플란트, 인공 두개골, 인공 고관절, 인공 대퇴부, 인공 무릎관절 등의 금속 제품에 대한 표면 처리 방법, 생체 이식용 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법 및 생체 이식용 3D 프린팅 제품에 관한 것으로, (a) 상기 금속 제품의 표면에 대해 기계적 연마를 실행하는 단계, (b) 상기 단계 (a)에서의 기계적 연마 이후 상기 금속 제품에 대해 플라즈마 전해연마를 실행하는 단계를 포함하는 구성을 마련하여, 금속 3D 프린팅 제품에서 치수 희생을 최소화하면서, 낮은 표면 조도를 갖게 할 수 있다.

Description

금속 제품의 표면 처리 방법{METHOD FOR TREATING SURFACE OF METAL PRODUCTS}

본 발명은 금속 제품의 표면 처리 방법에 관한 것으로, 특히 조도와 치수 변화를 최소화할 수 있는 치아용 임플란트, 인공 두개골, 인공 고관절, 인공 대퇴부, 인공 무릎관절 등의 금속 제품에 대한 표면 처리 방법, 생체 이식용 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법 및 생체 이식용 3D 프린팅 제품에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 산업에서 사용되고 있는 배관 및 챔버의 경우, 부식과 청정 환경에 대한 요구로 인해 SUS 재료가 사용되고 있으며, 이물질 흡착 같은 문제를 방지하기 위해 전해연마를 적용해 표면 조도를 낮춘다.

그러나 전해연마 시 제품 형상에 따라 요구된 표면특성을 구현하는데 어려움이 있을 뿐 아니라 전해연마 시 부식성 약품을 사용하기 때문에 환경 문제뿐 아니라 세척시 많은 비용과 시간이 소요된다.

한편, 금속 3D 프린팅 기술은 고가의 금형 없이, 디자인 데이터를 활용하여 제품을 제작할 수 있으며, 디자인 자유도가 높아 기존 가공 방법으로는 제작이 어려운 형상도 제작할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 이러한 특징으로 인해, 금속 3D 프린팅은 새로운 제조 패러다임 방식을 제공하면서 시장의 관심을 높여가고 있다.

예를 들어 금속 3D 프린팅 제품은 맞춤형 특성으로 인해 임플란트, 고관절 같은 의료 부품에 많이 활용되고 있다.

상기 의료 부품으로 사용되는 생체이식용 금속은 세라믹스(Ceramics), 고분자(Polymer) 등 다른 재료들에 비해 강도, 피로저항성, 성형가공성이 우수하여 현재까지도 생체의 결손, 훼손 부위의 재생 및 치료의 목적으로 하는 치과, 정형외과 및 성형외과에서 가장 널리 사용되고 있는 생체 재료이다. 이러한 생체이식용 금속은 철(Fe), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 스테인리스 스틸(Stainless steel), 코발트 합금(Co alloy), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 금(Au), 은(Ag) 등이 있으며, 이들 중 다른 금속재료에 비해 내식성이 우수하고 인체 조직 내에서도 안정한 특성을 보이는 스테인리스 스틸, 티타늄, 티타늄 합금, 코발트 합금, 금 등이 인체에 가장 널리 사용되고 있다.

그러나 맞춤형으로 제작된 금속 3D 프린팅 제품은 표면에 분말 형상의 거칠기가 남아 있어 반드시 연마 처리가 필요하다. 종래의 전해연마의 경우, 맞춤형 제품에 적용하면 조도 같은 표면 특성은 구현할 수 있으나 형상을 유지하는데 어려움이 있었다.

이러한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 내지 2 등에 개시되어 있다.

예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 금속 재료를 3D 프린팅 방법으로 성형하여 제조한 두개골 금속 임플란트의 표면에 마이크로블라스팅(Microblasting) 처리하는 단계를 포함하는 방법으로서, 상기 금속 재료는 티타늄 또는 티타늄 합금에서 선택되고, 상기 3D 프린팅 방법은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법이고,

상기 마이크로블라스팅 처리시 미디어(Media)는 250~450㎛ 크기의 강제 미립자이고, 미디어 분사 압력은 3~5 바(bar)에서 선택되고, 미디어 분사량은 금속 임플란트 표면적 400㎠을 기준으로 4~8㎏에서 선택되고, 미디어 분사 시간은 30초 내지 10분에서 선택되며, 상기 마이크로블라스팅 처리 후 두개골 금속 임플란트의 표면 조도는 1~8㎛인 금속 임플란트의 표면특성 개질방법에 대해 개시되어 있다.

또, 하기 특허문헌 2에는 금속분말을 이용하여 3D 프린팅 방법으로 금속 제품을 제조하는 단계, 상기 제조된 금속 제품을 전해액에 침지하는 단계 및 상기 금속 제품이 침지된 전해액에 전압 30~40V 및 전류 05~5A를 인가함과 동시에 초음파 20~100kHz를 인가하여, -30~4℃의 온도에서 60~300초간 초음파 속 전해연마를 실시함으로써, 상기 금속 제품의 표면을 개질하는 단계를 포함하고, 상기 금속 제품의 표면 개질은 상기 3D 프린팅 방법으로 제조된 금속 제품 표면에 남아있는 잔류 금속 분말을 제거하고 표면의 조도를 감소시켜 상기 금속제품의 표면을 평탄화하는 초음파 및 전해연마를 이용한 3D 프린팅으로 제조된 금속 제품의 표면 처리 방법에 대해 개시되어 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1603903호(2016.03.10 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1591438호(2016.01.28 등록)

상술한 바와 같은 특허문헌에 개시된 기술의 전해연마의 경우, 정밀부품 및 복잡 형상 제품에 적용하기가 어렵고, 전해질이 점성이 높은 인산 용액으로 작업 후 세척(수세)에 어려움이 있었다.

또 금속 분말을 사용하는 3D 프린팅 공정은 최종 제품 표면에 사용된 금속 분말 크기의 반(half) 값을 가지는 표면 조도(roughness)를 남기게 된다. 이에 따라 표면 조도를 낮추기 위해 연마 공정을 사용하게 되는데, 다른 경우와 달리 연마를 하게 될 금속 3D 프린팅 제품은 이미 디자인 데이터에 따라 거의 완성된 제품 형상을 가지고 있기 때문에 연마에 따라 형상 변화를 최소화할 필요가 있다. 산업계에서 사용되고 있는 연마 방식 중 가장 많이 적용되고 있는 전해연마 (electrolytic polishing) 방법은 연마 효율은 우수한 반면, 제품 형상에 따라 연마 정도가 변하기 때문에 형상을 가진 제품에 적용하는데 어려움이 있었다.

또한, 상술한 특허 문헌 등에 개시된 기술에서는 연마 속도로 인해, 조도가 높은 제품에 플라즈마 전해연마를 바로 적용하는데 문제가 있으며, 제품의 크기가 커질수록 플라즈마 전해연마가 실행되지 않는다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 수용액 기반의 전해질을 사용함과 동시에 고품질의 연마 특성과 함께 치수 희생을 최소화할 수 있는 금속 제품의 표면 처리 방법, 생체 이식용 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법 및 생체 이식용 3D 프린팅 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 연마 시간의 단축과 표면 조도를 감소시키면서 치수 안정성을 확보할 수 있는 금속 제품의 표면 처리 방법, 생체 이식용 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법 및 생체 이식용 3D 프린팅 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 세척을 용이하게 실행하며, 환경오염을 방지할 수 있는 금속 제품의 표면 처리 방법, 생체 이식용 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법 및 생체 이식용 3D 프린팅 제품을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법은 금속 제품의 표면을 처리하는 방법으로서, (a) Ti 및 Ti 합금 또는 Co-Cr 합금으로 이루어지고, 의료용 부품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품을 마련하는 단계, (b) 상기 금속 3D 프린팅 제품의 표면에 대해 초기 조도를 낮추도록 기계적 연마를 실행하는 단계, (c) 상기 단계 (b)에서의 기계적 연마 이후 상기 금속 3D 프린팅 제품에 대해 플라즈마 전해연마를 실행하는 단계를 포함하고, 상기 생체 이식용 3D 프린팅 제품은 2차원 의료용 CT/MRI 이미지를 3차원 설계 디자인으로 역설계하여 3D 프린터용 데이터를 획득하고, 상기 3D 프린터용 데이터에 기초하여 30~100㎛의 Co-Cr 합금의 분말을 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린터로 적층하여 표면 조도 15㎛ 이상으로 마련되고, 상기 금속 3D 프린팅 제품의 치수 편차(변화량)는 200㎛ 이하로 실행되고, 상기 단계 (b)에서의 기계적 연마는 상기 금속 3D 프린팅 제품의 표면 조도 3~7㎛로 실행되고, 상기 단계 (c)는 전해액으로서 (NH₄)₂SO₄을 포함하고, 첨가제로서 NaOH 또는 KOH를 사용하며, 전해액의 온도 20℃ 내지 90℃에서 실행되고, 상기 전해액의 몰 농도는 0.1M 내지 0.3M이고, 상기 단계 (c)에서의 전해연마는 450V의 고전압 영역에서 8분 동안 실행되며, 상기 금속 3D 프린팅 제품의 표면 조도 1㎛ 이하로 실행되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법에서, 상기 단계 (b)에서의 기계적 연마는 샌드 블라스팅 또는 바렐 연마에 의해 실행되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법에서, 상기 단계 (c)는 (c1) 전해액 내에 양극(anode) 및 음극(cathode)을 설치하고 양극에 상기 금속 3D 프린팅 제품을 연결하는 단계, (c2) 상기 양극 및 상기 음극에 전압을 걸어 플라즈마를 발생시키는 단계, (c3) 상기 금속 3D 프린팅 제품을 상기 플라즈마로 전해연마 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법에서, 상기 의료용 부품은 치아용 임플란트, 인공 두개골, 인공 고관절, 인공 대퇴부, 인공 무릎 관절 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법에서, 상기 전해액의 pH는 4 내지 8인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품은 상술한 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품에서, 상기 제품은 치아용 임플란트, 인공 두개골, 인공 고관절, 인공 대퇴부, 인공 무릎관절 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법, 생체 이식용 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법 및 생체 이식용 3D 프린팅 제품에 의하면, 금속 제품의 표면에 대해 기계적 연마를 실행한 후, 플라즈마 전해연마를 실행하므로, 금속 3D 프린팅 제품에서 치수 희생을 최소화하면서, 낮은 표면 조도를 갖게 할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법, 생체 이식용 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법 및 생체 이식용 3D 프린팅 제품에 의하면, 금속 3D 프린팅 제품의 표면에 대해 초기 조도를 낮추도록 기계적 연마를 실행하므로, 연마 시간을 단축할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법, 생체 이식용 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법 및 생체 이식용 3D 프린팅 제품에 의하면, (NH₄)₂SO₄(황산암모늄)과 NaOH 또는 KOH을 사용하므로, 세척을 용이하게 실행하며 환경오염을 방지할 수 있다는 효과도 얻어진다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법의 일 예로서 생체 이식용 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법을 설명하기 위한 공정도,
도 2는 생체 이식용 금속 3D 프린팅에 의해 성형된 무릎용 고관절의 일 예를 나타내는 사진,
도 3은 기계적 연마 방식으로 샌드 블라스팅에 의해 표면 조도를 낮추는 것을 설명하기 위한 도면,
도 4는 SUS 볼을 사용한 샌드 블라스팅의 결과를 나타내는 사진,
도 5는 전해연마와 플라즈마 전해연마 간 치수 변화 차이를 설명하기 위한 그래프,
도 6은 인가전압에 따른 전해 연마 효과의 일 예를 나타내는 그래프 및 실험 사진,
도 7은 인가전압에 따라 연마 시간에 따른 표면 조도 변화 상태를 나타내는 그래프,
도 8은 인가전압에 따른 실험 전과 실험 후의 표면 형상의 사진,
도 9는 연마 시간에 따른 금속 제품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 무게 및 형상 변화를 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명에 따라 관 제품에 플라즈마 전해연마를 실행한 결과를 나타내는 사진.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

본 발명의 기본적인 개념은 기계적 연마에 의한 1차 연마공정을 먼저 수행한 이후에 플라즈마 전해연마에 의한 2차 연마공정을 수행함으로써 연마공정의 신속성과 낮은 표면조도를 확보하는 것이다.

본 발명에 적용되는 금속 3D 프린팅은 30~100㎛ 범위의 금속 분말을 사용하고, 베이스의 특정 위치에 이 금속 분말을 분사하고 레이저 또는 전자빔 같은 에너지를 인가하여 미세 금속 분말을 용융하여 성형품을 마련한다. 이와 같은 성형품은 예를 들어 치아용 임플란트, 인공 두개골, 인공 고관절, 인공 대퇴부, 인공 무릎관절 중의 어느 하나일 수 있다.

의료 분야에 적용되는 생체 이식용 3D 프린터는 복잡한 3차원 구조를 비교적 간단하게 제작 가능하고, 환자에 맞는 맞춤형 임플란트 제작이 가능하고, 다품종 소량생산이 가능하며, 빠르게 시제품을 제작할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

이와 같은 의료용 금속소재로서 생체 적합성으로 인해 Ti 및 Ti 합금은 치과용 임플란트, 정형외과 및 성형외과용 임플란트, SUS는 의료 시술용 기기 및 기구, Co-Cr 합금은 인공고관절, 대퇴부, 무릎 관절로 많이 사용되고 있다. 특히 Co-Cr 합금의 경우 Ti 소재 대비 상대적으로 우수한 기계적 강도로 인해 인공고관절 부품에 주로 적용되고 있다.

예를 들어, 인공고관절의 라이너(Liner)와 헤더(Header) 같은 부품은 서로 접촉되어 움직이기 때문에 우수한 마모특성이 필요하다. 경면의 표면상태를 만들기 위해 주로 전해연마가 사용되고 있지만, 조도와 치수 변화를 최소화하는데 어려움이 있다. 따라서 조도와 치수 변화를 최소화할 수 있는 플라즈마 전해연마 기술을 적용하여 금속 3D 프린팅으로 제작된 Co-Cr 금속의 표면 연마를 마련하였다.

본 발명에서는 상술한 금속 3D 프린팅 제품의 형상유지에 우수한 특징을 보이는 플라즈마 전해연마를 사용하는 데 있어, 금속 3D 프린팅된 제품에 사용할 수 있는 방법 및 공정조건을 제시한다.

플라즈마 전해연마는 기존 전해연마와 달리, 250V 이상의 고압을 인가함으로써 연마하고자 하는 제품 표면에 플라즈마를 형성시켜 연마를 하는 공정이다. 다른 연마공정 대비 플라즈마 전해연마 방법의 가장 큰 장점은 표면 조도를 줄이는 데 있어, 원소재 손실을 최소화하여 연마시 제품의 형상 변화를 줄일 수 있어, 금속 3D 프린팅된 제품처럼 형상이 어느 정도 완성된 제품에 연마를 진행하는데 큰 이점이 있다. 그러나 연마 속도가 빠르지 않아, 금속 3D 프린팅된 제품의 표면 조도(> 15㎛)를 바로 플라즈마 전해연마만 적용하여 원하는 수준의 표면 상태를 얻는데 어려움이 있었다.

따라서 본 발명에서는 금속 3D 프린팅된 제품에 대해 형상을 유지하면서 원하는 표면 상태를 얻기 위한 연마 방법을 제안하였다.

즉, 연마 속도로 인해, 조도가 높은 제품에 플라즈마 전해연마를 바로 적용하는데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위하여 초기 조도를 낮추는 방법으로 샌드 블라스팅 또는 바렐 연마 같은 기계적 연마를 적용한 후, 최종 표면상태는 플라즈마 전해연마를 사용한 혼합 연마 방법을 제안하였다.

효과적인 연마 성능을 얻기 위해서는 두 연마 방법의 적절한 조합이 필요하며, 초기 기계적 연마로 어느 수준까지 조도를 낮추고, 어떤 조건의 플라즈마 전해연마를 적용함으로써 우수한 표면상태를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 도면에 따라서 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법의 일 예로서 생체 이식용 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법을 설명하기 위한 공정도이다.

먼저, Ti 및 Ti 합금 또는 Co-Cr 합금으로 이루어진 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품을 마련한다(S10).

상기 단계 S10에서 생체 이식용 3D 프린팅 제품은 Ti 및 Ti 합금 또는 Co-Cr 합금으로서 30~100㎛의 분말을 특정 위치에 분사하고 레이저 또는 전자빔으로 상기 분말을 용융하여 형성된다.

즉, 생체 이식용 3D 프린팅 제품은 2차원 의료용 CT/MRI 이미지를 3차원 설계 디자인으로 역설계하여 3D 프린터용 데이터를 획득하고, 3D 프린터용 데이터에 기초하여 Ti 및 Ti 합금 또는 Co-Cr 합금의 분말을 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린터로 적층하여 도 2에 도시된 바와 같은 인공 대퇴부를 제조하였다.

도 2는 생체 이식용 금속 3D 프린팅에 의해 성형된 무릎용 고관절의 일 예를 나타내는 사진이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제조된 금속 3D 프린팅의 표면은 3D 프린팅 공정 중에서 떨어져 나간 금속 분말이 제품 표면에 형성된 구형의 분말 틈에 물리적으로 끼어 있거나 반데르 발스 결합 또는 아주 미량의 표면에서 금속 결합을 하는 등의 경우로 잔류하게 되고, 금속 3D 프린팅시 완벽하게 표면처리가 이루어지기 어려우므로 구형의 분말 형상으로 형성되어 표면이 다소 울퉁불퉁하게 형성되게 된다. 도 2의 우측에 나타낸 바와 같이, 생체 이식용 금속 3D 프린팅에 의해 성형된 대퇴부에서 표면 조도는 15㎛ 이었다.

또 상기 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품으로서 도 2에 도시된 바와 같은 인공 대퇴부를 나타내었지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 치아용 임플란트, 인공 두개골, 인공 고관절, 인공 무릎관절 등을 마련할 수도 있다.

상술한 바와 같이 표면 조도가 15㎛ 이상인 경우, 종래 기술에 의한 플라즈마 전해연마만을 적용하는 경우, 원하는 수준 예를 들어, 1㎛ 이하의 표면 조도를 얻기 위해서는 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 과도한 연마에 의해 치수 안정성을 확보할 수없게 된다.

따라서, 본 발명에서는 상기 단계 S10에서 마련된 금속 3D 프린팅 제품의 표면에 대해 초기 조도를 낮추는 방법으로서 기계적 연마를 실행한다(S20).

상기 단계 S20에서의 기계적 연마는 예를 들어 샌드 블라스팅 또는 바렐 연마에 의해 실행된다.

상기 기계적 연마 방식으로 도 2에 도시된 바와 같은 초기 조도 15㎛를 도 3에 도시된 바와 같이, 3~7㎛ 이하로 한다. 이와 같은 초기 조도에 대해 기계적 연마를 실행하여 조도를 3~7㎛ 이하로 하는 것에 의해 후술하는 플라즈마 전해연마의 연마 시간을 단축하면서 표면 조도를 1㎛ 이하로 할 수 있다.

도 3은 기계적 연마 방식으로 샌드 블라스팅에 의해 표면 조도를 낮추는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 SUS 볼을 사용한 샌드 블라스팅의 결과를 나타내는 사진이다. 도 4에서는 미디어의 분사압력을 7.5 바, 5.0 바, 3.0 바를 적용한 것이다.

즉, 금속 3D 프린팅으로 제작된 제품의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 표면 조도가 약 15㎛ 수준으로 플라즈마 전해연마를 바로 적용하기에는 조도가 너무 높다. 따라서, 본 발명에서는 플라즈마 전해연마가 적용 가능한 수준으로 도 4에 도시된 바와 같이, 조도를 낮추기 위한 기계적 연마를 실행한다.

상술한 바와 같은 샌드 블라스팅 또는 바렐 연마의 기계적 연마에 의해 연마 시간을 단축하고, 금속 제품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품에서 연마에 따른 치수 안정성을 확보할 수 있다.

상기 단계 S20에서의 기계적 연마 이후, 상기 금속 3D 프린팅 제품에 대해 플라즈마 전해연마를 실행한다(S30).

상기 단계 S30에서는 전해액 내에 양극(anode) 및 음극(cathode)을 설치하고 양극에 상기 금속 제품인 금속 3D 프린팅 제품을 연결하고, 상기 양극 및 상기 음극에 전압을 걸어 플라즈마를 발생시켜서 상기 금속 제품인 금속 3D 프린팅 제품을 상기 플라즈마로 전해연마 처리한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 전해연마는 종래의 전해 연마 방식에 비해 치수 희생을 최소화할 수 있다. 도 5는 전해연마와 플라즈마 전해연마 간 치수 변화 차이를 설명하기 위한 그래프이다.

상기 전해액은 C₆H₁₄N₂O₇(암모늄 시트레이트) 또는 (NH₄)₂SO₄(황산암모늄)을 사용할 수 있으며, 광택 및 연마 효과와 추후 세척 과정에서 환경오염을 방지하기 위해 전해액으로서 (NH₄)₂SO₄을 포함하고, 작업 효율 증대를 위한 첨가제로서 NaOH 또는 KOH를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 전해액의 몰 농도는 0.1M 내지 0.3M인 것을 사용한다. 전해액의 농도가 증가할수록 플라즈마 생성과 함께 연마 효과가 증대된다. 플라즈마가 육안으로 관찰되지 않는 0.1M까지는 연마 효과 증대와 함께 치수 변형을 유발하지만, 0.2M 이상에서는 플라즈마 발생이 육안으로 확인되며 연마와 함께 치수 안정성도 우수하였다. 또 본 발명에 따른 전해액은 물 기반의 소량 첨가제로서, 0.2M (NH₄)₂SO₄과 0.1M H₂O₂를 적용할 수 있다.

또 본 발명에 따른 전해액은 종래 전해연마에서 사용되는 전해질에 비해 물에 전해질의 전도도 및 발생된 플라즈마의 안정성을 위해 소량의 염만 첨가하면 되어 친환경적인 성분의 전해액을 구성할 수 있다.

즉, 본 발명에 적용되는 전해액의 pH는 4 내지 8, 바람직하게는 pH 5.35를 적용할 수 있다. 따라서, 종래에 독성 및 점성이 있는 전해액을 사용하며, 전해연마를 통해 제조한 물품에 묻어나는 액의 손실이 많고, 크롬산, 황산 및 인산과 같은 공해물질이 다량으로 폐수처리장으로 유입되면서 폐수처리원가가 상당히 높은 단점 및 환경오염 문제점을 해결함과 동시에 산도 범위 또한 중성범위의 전해액을 사용함으로 산성이나 염기성을 사용했을 때 발생하는 후처리 과정을 단축할 수 있다.

또 상기 전해액의 몰 농도가 0.1M 미만인 경우 전도도 역할을 하는 전해액의 역할을 상실하여 임계 전압을 높여서 방전이 일어날 수 있고, 0.31M을 초과하면 금속 제품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면에 크고 깊은 기공들이 형성되어 기공의 체적도 증가하여 내식성이 악화된다.

또한, 본 발명에서 전해액은 20℃ 내지 90℃의 온도에서 사용된다. 상기 전해액의 온도가 20℃ 미만일 경우 반응속도가 저하하여 전해연마 반응을 억제할 수 있고, 90℃ 초과일 경우 물이 끓기 시작하여 플라즈마 발생을 불안정하게 한다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 전해연마는 350V 내지 450V의 고전압 영역에서 실행된다. 플라즈마 전해연마의 고전압 영역 350V 내지 450V에서는 플라즈마가 균질하게 형성되고, 이에 따라 이러한 형성된 플라즈마에 의해 표면 거칠기를 낮추기 때문에 치수안정성을 유지하면서 조도를 감소시킬 수 있다.

도 6은 인가전압에 따른 전해 연마 효과의 일 예를 나타내는 그래프 및 실험 사진이다.

도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 인가전압 300V에서는 양극 가열에 의한 기포만 형성되고, 연마속도가 빠르게 진행하여 치수 변형을 유발하였다. 즉, 인가전압이 낮아짐에 따라 광택도는 좋아지나 치수 변형을 유발하므로, 인가전압이 낮아짐에 따라 제품 표면에서 발생되는 플라즈마가 불안정해져 불균일 연마가 발생하고, 300V 조건에서는 많은 전류가 흘러 전극(제품)이 붉게 가열되는 현상이 발생하였다.

한편, 인가전압 450V에서는 플라즈마가 형성되며, 낮은 전류가 흘러 치수 변형을 방지할 수 있었다.

즉, 인가전압에 따라 연마속도 및 무게 감소량이 달라지므로, 인가전압 300V에서는 연마속도가 450V 조건보다 빠르며 이로 인해 무게 감소량도 높아지며, 인가전압 300V 조건은 빠른 연마 속도와 함께 위치(형상)에 따른 불균일 연마를 나타내며, 인가전압 450V 조건은 형상 유지 측면에서는 뛰어난 효과를 보이면 또한, 표면 스크래치(scratch) 제거에도 우수한 성능을 나타내었다.

본 발명에 따른 금속 제품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면을 처리 시간은 1~8분 동안 실행된다.

본 발명에 따른 금속 제품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면을 처리 시간에 대해 도 7 및 도 8에 따라 설명한다.

도 7은 인가전압에 따라 연마 시간에 따른 표면 조도 변화 상태를 나타내는 그래프이고, 도 8은 인가 전압에 따른 실험 전과 실험 후의 표면 형상의 사진이다.

도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 플라즈마를 발생하는 시간이 1분 미만일 경우 금속 제품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면의 거칠기를 충분히 낮출 수 없고, 8분을 초과할 경우 금속 제품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 치수 변화가 심할 뿐 아니라 연마가 과하게 되어 표면 거칠기가 다시 증가하게 된다. 즉, 본 발명에 따른 플라즈마 전해연마에서 피막의 형상, 피막 두께가 플라즈마 전해연마를 수행하는 시간에 비례하는 것 및 밀착성 등을 통하여 표면 거칠기, 표면경도, 내마모성, 내식성 등 모든 면의 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

또 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 초기 표면 조도가 낮을수록 상대적으로 더 낮은 표면 조도를 얻을 수 있고, 초기 표면 조도가 높으면 동일 시간 동안 표면 연마 속도가 더 빠른 경향을 보임을 알 수 있었다.

다음에 본 발명에 따른 금속 제품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면 처리 시간에 따른 무게 및 형상 변화에 대해 도 9에 따라 설명한다.

도 9는 연마 시간에 따른 금속 제품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 무게 및 형상 변화를 나타내는 그래프이다.

도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 무게 감소량은 인가전압 300V에서 인가전압 450V보다 크게 감소하는 것을 알 수 있었고, 인가전압 300V에서는 모서리 부분의 변형이 발생하였으며, 인가 전압 450V에서는 형상 변형이 거의 나타나지 안았다.

상술한 바와 같은 실험 결과, 기계적 연마 방식으로 초기 조도 15㎛를 3~7㎛ 이하로 할 경우, 플라즈마 전해연마 8분 처리로 최종 표면 조도를 1㎛ 이하로 낮출 수 있어 상업적 적용이 가능하며, 상기 금속 제품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 치수 편차(변화량)는 200㎛ 이하로 실행되는 것을 알 수 있었다.

상술한 실험 결과에 의해, 인가전압에 따라 플라즈마 전해연마 효과를 비교하였을 때, 높은 전압을 인가하면 양극이 높게 가열되어 표면에 가스 증기층이 일정하게 형성되는 차이에 의해 플라즈마가 형성되고, 인가전압이 300V로 흐르는 경우, 흐르는 전류가 높아 금속의 용해 속도가 빠르며, 인가전압이 450V인 경우 흐르는 전류 값은 낮지만 플라즈마 형성으로 표면 연마가 됨을 알 수 있었다.

또 초기표면 조도 3㎛, 인가전압 300V, 연마시간 8분에서 가장 낮은 표면 조도 0.358㎛를 얻을 수 있었으며, 연마 시간이 증가함에 따라 초기 표면 조도가 높을수록 연마 속도가 빠른 경향을 알 수 있었다.

또한, 인가전압 450V가 300V보다 연마 시간이 증가할수록 무게 감소량이 낮으며, 형상 변형이 발생하지 않음을 알 수 있었다.

한편, 상기 설명에서는 생체 이식용 3D 프린팅 제품에 대해 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 도 10에 도시된 바와 같이 스테인리스, Ni 합금 또는 Cu 합금으로 이루어진 산업용 SUS 제품, 예를 들어 반도체 산업에서 사용되고 있는 배관 및 챔버의 성형품에도 적용 가능하다. 도 10은 본 발명에 따라 관 제품에 플라즈마 전해연마를 실행한 결과를 나타내는 사진이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 방법을 SUS로 이루어진 배관 또는 챔버에 적용하는 경우, 치수 안정성과 스크래치 제거에 효과가 좋은 것을 알 수 있었다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법, 생체 이식용 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법 및 생체 이식용 3D 프린팅 제품을 사용하는 것에 의해 금속 3D 프린팅 제품에서 치수 희생을 최소화하면서, 낮은 표면 조도를 갖게 할 수 있다.

Claims

(a) Ti 및 Ti 합금 또는 Co-Cr 합금으로 이루어지고, 의료용 부품인 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품을 마련하는 단계,
(b) 상기 금속 3D 프린팅 제품의 표면에 대해 초기 조도를 낮추도록 기계적 연마를 실행하는 단계,
(c) 상기 단계 (b)에서의 기계적 연마 이후 상기 금속 3D 프린팅 제품에 대해 플라즈마 전해연마를 실행하는 단계를 포함하고,
상기 생체 이식용 3D 프린팅 제품은 2차원 의료용 CT/MRI 이미지를 3차원 설계 디자인으로 역설계하여 3D 프린터용 데이터를 획득하고, 상기 3D 프린터용 데이터에 기초하여 30~100㎛의 Co-Cr 합금의 분말을 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린터로 적층하여 표면 조도 15㎛ 이상으로 마련되고,
상기 금속 3D 프린팅 제품의 치수 편차(변화량)는 200㎛ 이하로 실행되고,
상기 단계 (b)에서의 기계적 연마는 상기 금속 3D 프린팅 제품의 표면 조도 3~7㎛로 실행되고,
상기 단계 (c)는 전해액으로서 (NH₄)₂SO₄을 포함하고, 첨가제로서 NaOH 또는 KOH를 사용하며, 전해액의 온도 20℃ 내지 90℃에서 실행되고, 상기 전해액의 몰 농도는 0.1M 내지 0.3M이고,
상기 단계 (c)에서의 전해연마는 450V의 고전압 영역에서 8분 동안 실행되며, 상기 금속 3D 프린팅 제품의 표면 조도 1㎛ 이하로 실행되는 것을 특징으로 하는 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법.
제1항에서,
상기 단계 (b)에서의 기계적 연마는 샌드 블라스팅 또는 바렐 연마에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법.
제2항에서,
상기 단계 (c)는
(c1) 전해액 내에 양극(anode) 및 음극(cathode)을 설치하고 양극에 상기 금속 3D 프린팅 제품을 연결하는 단계,
(c2) 상기 양극 및 상기 음극에 전압을 걸어 플라즈마를 발생시키는 단계,
(c3) 상기 금속 3D 프린팅 제품을 상기 플라즈마로 전해연마 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법.
제1항에서,
상기 의료용 부품은 치아용 임플란트, 인공 두개골, 인공 고관절, 인공 대퇴부, 인공 무릎 관절 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법.
제1항에서,
상기 전해액의 pH는 4 내지 8인 것을 특징으로 하는 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법.
청구항 제1항의 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품의 표면 연마 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품.
제6항에서,
상기 제품은 치아용 임플란트, 인공 두개골, 인공 고관절, 인공 대퇴부, 인공 무릎관절 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 생체 이식용 금속 3D 프린팅 제품.