KR20210077444A - Printing method and apparatus using a 3d prining technology - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3D 프린팅 기술을 이용한 프린팅 방법 및 프린팅 장치에 관한 것으로서, 특히 금속 분말을 이용하여 3D 프린팅 기술로 금속소재의 형상을 제조하는 프린팅 방법 및 프린팅 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a printing method and a printing apparatus using 3D printing technology, and more particularly, to a printing method and a printing apparatus for manufacturing a shape of a metal material by 3D printing technology using a metal powder.
3D 프린팅(3D printing)은 3차원으로 구현된 디지털 설계 데이터를 바탕으로 분말(powder), 액체, 실의 형태 등으로 이루어진 재료를 노즐을 통해 분사, 용융, 응고시킴으로써, 입체적인 물건을 매우 얇게 한 층씩 바닥부터 정점까지 쌓아가며 3차원 물체를 제조하는 기술이다. 3D printing is based on digital design data realized in three dimensions by spraying, melting, and solidifying a material in the form of powder, liquid, or thread through a nozzle, so that a three-dimensional object is made very thin layer by layer. It is a technology that manufactures 3D objects by stacking them from the bottom to the vertex.
3D 프린팅은 재료를 깎아 제조하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing)과 대비되는 개념으로 공식적인 용어는 적층제조(AM: Additive Manufacturing) 또는 쾌속조형(RP: Rapid Prototyping)이라고 하며, 3D 프린터는 3D 프린팅 프로세스를 구현할 수 있는 기계장비이다. 3D printing is a concept in contrast to Subtractive Manufacturing, which is manufactured by cutting materials. The official term is called Additive Manufacturing (AM) or Rapid Prototyping (RP), and 3D printers can implement the 3D printing process. It is a machine that can
최근, 금속 부품 등의 제조에 3D 프린팅 기술을 활용하여 효율성을 개선하는 연구가 있으며, 특히 여러 가공이 요구되는 정밀 부품에 3D 프린팅 기술을 적용하고자 하는 시도가 증가하고 있다. Recently, there are studies to improve efficiency by using 3D printing technology in the manufacture of metal parts, etc., and in particular, attempts to apply 3D printing technology to precision parts requiring various processing are increasing.
3D 프린팅의 대표적인 금속 적층제조 공정은 분말소결(PBF, Powder Bed Fusion)과 직접 용착(DED, Direct Energy Dsposition) 공정 두 가지로 크게 나뉜다.The representative metal additive manufacturing process of 3D printing is largely divided into two types: Powder Bed Fusion (PBF) and Direct Energy Dsposition (DED).
먼저, PBF 방식은 분말 공급 장치에서 일정한 면적을 갖는 분말 베드에 수십 마이크로 미터의 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 다음 한층 한층씩 용용시켜 쌓아 올라가는 방식이며, 이 PBF 방식은 SLM(Selected Laser Melting), Leser Cursing, DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 등의 용어로 혼용하고 있다. First, the PBF method is a method in which a powder layer of several tens of micrometers is laid on a powder bed having a certain area in a powder supply device, a laser or electron beam is selectively irradiated according to the design drawing, and then melted layer by layer and stacked up. Terms such as SLM (Selected Laser Melting), Leser Cursing, and DMLS (Direct Metal Laser Sintering) are used interchangeably.
다음으로, DED 방식은 보호가스 분위기에서 금속분말을 실시간으로 공급하고, 고출력의 레이저 등의 고 에너지로 공급 즉시 용융시켜 적층하고, 원하는 금속소재를 완성할 때까지 공급, 용융, 적층 단계를 반복하는 것을 특징으로 한다. Next, the DED method supplies metal powder in a protective gas atmosphere in real time, melts it immediately after supply with high energy such as a high-power laser, and laminates it, and repeats the supply, melting and lamination steps until the desired metal material is completed. characterized in that
이 DED 방식은 재현 반복성이 향상되고, 생산성이 높으며, 대형부품 적용에 유리하고, 기존 금속 부품의 보수재생이 가능한 장점이 있어, 국내외에서 대형화 또는 복합화 시스템으로 연구개발이 진행 중이다. This DED method has the advantages of improved reproducibility, high productivity, advantageous application of large parts, and the ability to repair and regenerate existing metal parts, so research and development is in progress as a large-scale or complex system at home and abroad.
이때, DED 공정은 레이저 열원 외에는 부가 공정을 추가하지 않고, 분말의 용융 후, 열원이 빠져나가는 방향(즉, z축의 (-)방향)의 반대 방향(즉, z축의 (+)방향)으로 응고 시 조직이 성장하여, 원하는 금속소재를 완성한다. At this time, the DED process does not add an additional process other than the laser heat source, and after the powder is melted, it solidifies in the opposite direction (ie, the (+) direction of the z-axis) to the direction in which the heat source exits (ie, the (-) direction of the z-axis). The city tissue grows to complete the desired metal material
하지만, DED 방식을 이용해 입체 형상의 금속소재를 제조하는 경우, 용융 및 적층시 z축의 (+)방향으로 응고(또는 냉각)가 빠르게 진행되므로 미세조직은 수직방향으로 길게 성장하여 적층면에서 이방성(anisotropic)이 나타나는데, 이방성에 의해 x-y 평면과 z축 방향과의 기계적 물성 차이를 발생하여 기계적 성질이 저하되는 문제가 생긴다. However, in the case of manufacturing a three-dimensional metal material using the DED method, solidification (or cooling) proceeds rapidly in the (+) direction of the z-axis during melting and lamination, so that the microstructure grows long in the vertical direction and becomes anisotropic ( anisotropic), which causes a difference in mechanical properties between the xy plane and the z-axis direction due to anisotropy, causing a problem in that the mechanical properties are deteriorated.
상기 문제를 개선하기 위해, 종래에는 기존의 금속 3D 프린팅 기술에서 금속소재에 후열처리를 하여 재결정화 단계를 추가하는 기술이 있지만, 많은 비용이 발생하여 제조 원가의 상승을 초래하고, 결국 생산성을 저하하는 등 문제점이 있다. In order to improve the above problem, in the prior art, there is a technique of adding a recrystallization step by performing post-heat treatment on a metal material in the existing metal 3D printing technology, but a lot of costs occur, resulting in an increase in manufacturing cost, and eventually lowering productivity There are problems such as
본 발명은 금속분말과 레이저를 이용한 3D 프린팅에서, 응고가 z축 방향으로 진행되면서 생기는 적층면의 이방성에 의해 x-y 평면과 z축 방향의 기계적 물성이 차이가 나게 되는 문제점을 해소하는 방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a method and apparatus for solving the problem that the mechanical properties of the xy plane and the z-axis direction are different due to the anisotropy of the lamination surface generated as solidification proceeds in the z-axis direction in 3D printing using metal powder and a laser. to provide.
본 발명의 일 구현예는 3D 프린팅 기술에 의해 금속소재의 형상을 제조하는 프린팅 방법을 제공하며, 이 프린팅 방법은 다음 단계를 포함한다:One embodiment of the present invention provides a printing method for manufacturing a shape of a metal material by 3D printing technology, the printing method comprising the following steps:
금속분말을 공급하고, 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원을 조사하여 상기 금속분말의 용융 및 응고에 의해 금속 레이어를 형성하는 레이어 형성 단계; A layer forming step of supplying a metal powder and irradiating a modeling light source used for 3D printing to form a metal layer by melting and solidifying the metal powder;
상기 금속 레이어의 표면에 상기 금속 레이어의 적층 방향으로 외력을 가하는 외력 인가 단계; 및applying an external force to the surface of the metal layer in a stacking direction of the metal layer; and
상기 레이어 형성 단계 및 상기 외력 인가 단계를 반복 실행함으로써 다수의 금속 레이어를 적층해 가는 반복 실행 단계.A repeated execution step of stacking a plurality of metal layers by repeatedly executing the layer forming step and the external force application step.
상기 반복 실행 단계에서, 레이어 형성 단계와 외력 인가 단계의 반복 횟수는, 한 층의 금속 레이어를 적층할 때마다 외력 인가 단계를 수행할 수도 있고, 복수 층의 금속 레이어를 적층할 때마다 한 번씩 외력 인가 단계를 수행할 수도 있다.In the repeated execution step, the number of repetitions of the layer forming step and the external force application step may include performing the external force application step every time one metal layer is stacked, or an external force once every time a plurality of metal layers are stacked. An authorization step may also be performed.
외력 인가는, 구체적으로는 블라스팅에 의해 입자를 상기 금속 레이어의 표면에 충돌시키는 방식으로 구현할 수도 있고, 소형 해머에 의해 금속 레이어의 표면을 타격하는 방식으로 구현할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The external force application may be implemented in a manner that specifically causes particles to collide with the surface of the metal layer by blasting, or may be implemented by striking the surface of the metal layer with a small hammer, but is not limited thereto.
예시적으로, 상기 해머에 의한 타격 면적은 직경 1~2mm일 수 있다.Illustratively, the hitting area by the hammer may be 1 to 2 mm in diameter.
또 예시적으로, 상기 외력 인가 단계에서는, 상기 금속 레이어의 적층 방향으로의 두께가 5~10% 감소하도록 외력을 인가할 수 있다.Also illustratively, in the step of applying the external force, the external force may be applied so that the thickness of the metal layer in the stacking direction is reduced by 5 to 10%.
본 발명의 다른 구현예는 3D 프린팅 기술에 의해 금속소재의 형상을 제조하는 프린팅 장치를 제공한다. 이 프린팅 장치는 다음 구성요소를 포함하여 이루어질 수 있다:Another embodiment of the present invention provides a printing apparatus for manufacturing a shape of a metal material by 3D printing technology. This printing device may comprise the following components:
금속분말과 조형 광원을 이용하여 금속분말의 용융 및 응고에 의해 금속 레이어를 형성하도록 구성된 프린팅 헤드부; a printing head configured to form a metal layer by melting and solidifying the metal powder using the metal powder and the modeling light source;
상기 금속 레이어의 표면에 상기 금속 레이어의 적층 방향으로 외력을 가하는 외력 인가부; 및an external force applying unit for applying an external force to the surface of the metal layer in a stacking direction of the metal layer; and
상기 프린팅 헤드부 및 상기 외력 인가부를 제어하여, 금속 레이어 형성 및 외력 인가를 반복 실행하게 하는 제어부.A control unit configured to control the printing head unit and the external force application unit to repeatedly perform formation of a metal layer and application of an external force.
선택적으로, 상기 제어부는, 상기 프린팅 헤드부 및 상기 외력 인가부를 제어하여, 한 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 금속 레이어의 표면에 외력을 인가하도록 하거나, 또는 복수 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 한 번씩 금속 레이어의 표면에 외력을 인가하도록 할 수 있다.Optionally, the control unit controls the printing head unit and the external force applying unit to apply an external force to the surface of the metal layer whenever one metal layer is formed, or when forming a plurality of metal layers It is possible to apply an external force to the surface of the metal layer once every time.
예시적으로, 상기 외력 인가부는, 블라스팅에 의해 입자를 상기 금속 레이어의 표면에 충돌시키는 블라스팅 장치, 또는 해머에 의해 상기 금속 레이어의 표면을 타격하는 해머 장치일 수 있다.Illustratively, the external force applying unit may be a blasting device that collides particles with the surface of the metal layer by blasting, or a hammer device that strikes the surface of the metal layer by a hammer.
본 발명에 의하면, 금속 레이어를 형성한 후에 그 표면에 적층 방향으로 외력을 가함으로써, 금속 레이어의 응고시 발생하는 이방성을 완화시킬 수 있으며, 이를 해소하기 위한 재결정화 등의 후처리가 별도로 필요하지 않게 된다.According to the present invention, by applying an external force to the surface of the metal layer in the lamination direction after forming the metal layer, the anisotropy occurring during solidification of the metal layer can be alleviated, and a separate post-treatment such as recrystallization is not required to solve this. won't
또한 이로 인해, 이방성을 완화시킬 수 있을 뿐 아니라, 레이어 표면에 외력을 가함으로써 치밀도 향상, 기공이나 균열의 제거라는 효과도 얻을 수 있으며, 결과적으로 3D 프린팅에 의해 제조된 결과물의 기계적 물성이 향상되어 생산성을 높일 수 있다.In addition, not only can the anisotropy be alleviated, but also effects such as density improvement and removal of pores or cracks can be obtained by applying an external force to the surface of the layer, and as a result, the mechanical properties of the resultant manufactured by 3D printing are improved can increase productivity.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 기술에 의해 금속소재의 형상을 제조하는 프린팅 방법의 개략 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 방법에서 레이어 형성 단계와 외력 인가 단계의 반복 실행을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 기술에 의해 금속소재의 형상을 제조하는 프린팅 장치의 개략 구성도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 얻어진 금속 레이어의 적층부의 조직을 종래 기술과 비교하기 위한 사진이다.1 is a schematic flowchart of a printing method for manufacturing a shape of a metal material by 3D printing technology according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram for explaining the repeated execution of the layer forming step and the external force application step in the printing method according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic configuration diagram of a printing apparatus for manufacturing a shape of a metal material by 3D printing technology according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are photographs for comparing the structure of the laminated portion of the metal layer obtained according to an embodiment of the present invention with that of the prior art.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings, and the inventor should properly understand the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 구현예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical spirit of the present invention, so at the time of the present application, they are equivalent It should be understood that there may be variations.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 기술에 의해 금속소재의 형상을 제조하는 프린팅 방법의 개략 흐름도이다.1 is a schematic flowchart of a printing method for manufacturing a shape of a metal material by 3D printing technology according to an embodiment of the present invention.
본 실시예에 따른 프린팅 방법은, 예컨대 후술하는 도 3에 도시된 프린팅 장치를 이용하여 구현될 수 있지만, 한정되는 것은 아니다.The printing method according to the present embodiment may be implemented using, for example, a printing apparatus illustrated in FIG. 3 to be described later, but is not limited thereto.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 프린팅 방법은 다음 단계를 포함한다.As shown in Fig. 1, the printing method according to this embodiment includes the following steps.
S100: 금속분말을 공급하고, 아울러 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원을 조사하여 금속분말을 용융한 다음, 용융된 금속분말을 냉각 및 응고함으로써 금속으로 된 금속 레이어를 형성한다.S100: The metal powder is supplied, and the metal powder is melted by irradiating a modeling light source used for 3D printing, and then the molten metal powder is cooled and solidified to form a metal layer of metal.
예컨대, STS316L과 같은 금속분말을 공급하고, 전자빔, 아크, 또는 플라즈마와 같이, 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원을 조사할 수 있다.For example, it is possible to supply a metal powder such as STS316L, and irradiate a modeling light source used for 3D printing, such as an electron beam, arc, or plasma.
금속분말을 이용한 3D 프린팅 기술은 종래에도 알려져 있으므로, 금속분말을 공급하고 레이저 광원에 대해 이를 용융한 후 입력된 설계에 따라 금속 레이어를 형성하는 과정에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 금속분말의 종류나 레이저의 종류 그리고 레이어를 형성하는 구체적인 조작 방법 등에 대해서도 종래에 알려져 있으며, 또한 그것들은 제조하고자 하는 대상물의 종류나 구조에 따라 달라질 수 있음은 통상의 기술자가 잘 이해하고 있는 것이다.Since 3D printing technology using metal powder is known in the prior art, a detailed description of the process of forming a metal layer according to an input design after supplying the metal powder and melting it to a laser light source will be omitted. It is well understood by those skilled in the art that the type of metal powder, the type of laser, and the specific operation method for forming a layer are known in the prior art, and that they may vary depending on the type or structure of the object to be manufactured.
S200: 금속 레이어의 적층 방향으로 금속 레이어의 표면에 외력을 가한다.S200: An external force is applied to the surface of the metal layer in the stacking direction of the metal layer.
외력을 가한다는 것은 가장 최근에 적층된 금속 레이어의 상부 표면에 충격 또는 타격을 주는 것이며, 이를 위해 다양한 방법이 사용될 수 있다.Applying an external force is to impact or hit the upper surface of the most recently laminated metal layer, and various methods may be used for this purpose.
외력 인가 방법으로서, 예시적이지만, 블라스팅에 의해 입자를 금속 레이어의 표면에 충돌시키는 방식과 해머에 의해 금속 레이어의 표면을 타격하는 방식이 있을 수 있다. 어느 방식이든 금속 레이어의 표면에 그 적층 방향으로 외력을 가하기 위한 것이다. 여기서, 블라스팅은 연마입자를 분사하여 표면을 연마하는 처리로서의 의미가 아니고 입자를 분사하여 표면에 충돌시킴으로써 피사체에 외력을 가하는 처리를 의미하여 이하에서도 동일하다.As the external force application method, although exemplary, there may be a method in which particles collide with the surface of the metal layer by blasting and a method in which the surface of the metal layer is struck by a hammer. Either way, it is to apply an external force to the surface of the metal layer in its lamination direction. Here, blasting is not meant as a process of polishing the surface by spraying abrasive particles, but means a process of applying an external force to a subject by spraying particles to collide with the surface, which is the same hereafter.
외력에 의해 금속 레이어의 두께는 그 적층 방향에서 감소하게 되는데, 약5~10% 정도 감소하도록 외력을 인가할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 금속소재의 종류나 그 외 조건에 따라 이를 조정할 수 있다. 다만 외력이 너무 작으면 원하는 효과를 얻을 수 없으며, 반대로 외력이 너무 크면 금속 레이어가 파손될 우려가 있다. 적정한 외력의 강도는 한정된 반복 실험을 통해 용이하게 결정할 수 있다.The thickness of the metal layer is reduced in the stacking direction by the external force, but an external force can be applied to decrease by about 5 to 10%, but is not limited thereto, and it can be adjusted according to the type of metal material or other conditions. can However, if the external force is too small, the desired effect cannot be obtained. On the contrary, if the external force is too large, the metal layer may be damaged. The strength of an appropriate external force can be easily determined through limited repeated experiments.
해머에 의해 표면을 타격하는 경우 타격 면적의 직경은 대략 1~2mm일 수 있다.When hitting the surface with a hammer, the diameter of the striking area may be approximately 1 to 2 mm.
S300: 상기 S100 및 S200의 단계를 교대로 반복함으로써 금속 레이어를 적층해 나간다.S300: The metal layers are laminated by alternately repeating the steps S100 and S200.
레이어 형성 단계(S100)와 외력 인가 단계(S200)를 반복할 때, 그 시행횟수의 비를 조정할 수 있으며, 가장 기본적으로는 한 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 그 표면에 외력을 가하는 단계를 수행할 수 있다.When repeating the layer forming step (S100) and the external force application step (S200), the ratio of the number of trials can be adjusted, and most basically, the step of applying an external force to the surface whenever a single metal layer is formed. can be done
다만, 한 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 표면에 외력을 가하는 단계를 수행하는 경우, 상대적으로 높은 수준의 결과물을 얻을 수 있지만, 그에 비해 제조 시간이 증가하여 생산성이 떨어질 수 있다.However, if the step of applying an external force to the surface is performed whenever a single metal layer is formed, a relatively high level of results may be obtained, but productivity may decrease due to an increase in manufacturing time.
따라서, 복수 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 한 번씩 외력 인가 단계를 수행하는 것으로 알 수 있다. 이 경우, 최상층의 금속 레이어의 표면에 외력을 인가하게 되며, 이때 인가된 외력은 최상층의 금속 레이어에만 영향을 주는 것이 아니라 그 아래의 금속 레이어에도 영향을 주므로, 복수 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 한 번씩 외력을 인가하였다고 해서, 최상층의 금속 레이어 아래에 적층된 금속 레이어의 이방성이 전혀 해소되지 않는 것은 아니다.Therefore, it can be seen that the step of applying an external force is performed once every time a plurality of metal layers are formed. In this case, an external force is applied to the surface of the uppermost metal layer, and the applied external force affects not only the uppermost metallic layer but also the lower metallic layer. Even if an external force is applied once every time, the anisotropy of the metal layer stacked under the uppermost metal layer is not completely eliminated.
예시적으로, 3-5층의 금속 레이어를 형성할 때마다 1번의 외력 인가를 수행할 수 있다.Illustratively, one external force application may be performed every time 3-5 metal layers are formed.
이 경우 제조 시간의 증가가 상대적으로 크지 않으므로 생산성을 유지하면서도 금속 레이어의 조직 개선이라는 효과를 얻을 수 있다.In this case, since the increase in manufacturing time is not relatively large, the effect of improving the structure of the metal layer can be obtained while maintaining productivity.
도 2는 보다 이해하기 쉽게 본 실시예에 따른 프린팅 방법을 설명하기 위한 모식도이다.2 is a schematic diagram for explaining the printing method according to the present embodiment for easier understanding.
도 2에서 가장 왼쪽에 도시된 바와 같이, 레이저와 금속 분말을 이용하여 금속 레이어를 적층한다. 이후, 도 2의 중간에 도시된 바와 같이, 그 표면에 적층방향으로 외력을 인가한다. 외력 인가 방식은 상술한 바와 같이 블라스팅에 의해 입자를 표면에 충돌시키거나 해머에 의해 표면을 타격하는 방식을 이용할 수 있다. 외력 인가를 최상층의 금속 레이어의 표면에 대해 전체적으로 행한 후, 다시 도 2의 가장 오른쪽에 도시된 바와 같이, 금속 분말 및 레이저를 이용하여 금속 레이어의 적층을 행한다. 이후, 하나 이상의 금속 레이어를 적층한 후 다시 외력을 인가하는 과정을 반복한다.As shown on the leftmost side in FIG. 2 , a metal layer is laminated using a laser and metal powder. Thereafter, as shown in the middle of FIG. 2 , an external force is applied to the surface in the stacking direction. As the external force application method, as described above, a method in which particles collide with the surface by blasting or strike the surface by a hammer may be used. After the external force is applied to the entire surface of the metal layer of the uppermost layer, the metal layer is laminated using a metal powder and a laser, again as shown in the far right of FIG. 2 . Thereafter, the process of applying an external force again after laminating one or more metal layers is repeated.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 기술에 의해 금속소재의 형상을 제조하는 프린팅 장치의 개략 구성도이다.3 is a schematic configuration diagram of a printing apparatus for manufacturing a shape of a metal material by 3D printing technology according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 프린팅 장치는 크게 프린팅 헤드부(100), 외력 인가부(200) 및 제어부(300)를 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 3 , the printing apparatus according to the present embodiment largely includes a
프린팅 헤드부(100)는 금속분말과 조형 광원(예컨대, 레이저)을 이용하여 금속분말을 용융하여 설계에 따라 방출하여 응고되도록 하여 금속 레이어를 형성하도록 구성된다.The
프린팅 헤드부(100)는, 예컨대, 분말 공급부(130), 실드 가스 공급부(140), 그리고 광원부(120)를 포함할 수 있다. The
프린팅 헤드부(100)는 제어부(300)의 제어에 따라, 분말 공급부(130)로부터 금속분말을 공급받고, 도 실드 가스 공급부(140)로부터 실드 가스를 공급받으면서, 광원부(120)에서 광원을 조사하여 금속분말을 용융시켜서 소정 위치에 배출하고 응고되도록 한다. 이때, 도 3에서의 베드(110)가 이동하거나 또는 프린팅 헤드부(100)가 이동하거나, 또는 양자가 이동하면서 미리 설계된 경로를 따라 금속 레이어가 형성되도록 한다.The
외력 인가부(200)는 제어부(300)의 제어에 따라, 프린팅 헤드부(100)에 의해 금속 레이어가 형성된 후, 해당 금속 레이어의 표면에 그 적층 방향으로 외력을 인가하도록 구성된다. The external
외력 인가부(200)는 예컨대 블라스팅에 의해 입자를 금속 레이어의 표면에 충돌시키는 블라스팅 장치, 또는 해머에 의해 금속 레이어의 표면을 타격하는 해머 장치일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 금속 레이어의 표면에 적층 방향으로 외력을 가할 수 있는 어떠한 다른 수단도 사용될 수 있다.The external
제어부(300)는 프린팅 헤드부(100) 및 외력 인가부(200)를 제어하여 금속 레이어의 형성 및 외력 인가를 반복하여 실행한다. 이때, 금속 레이어 형성과 외력 인가의 실행 비율은 1:1 또는 3:1 또는 4:1과 같이 설정할 수 있다. 즉, 1개의 금속 레이어를 형성할 때마다 외력 인가를 행할 수도 있고, 3개의 금속 레이어를 형성할 때마다 한 번씩 외력 인가를 행할 수도 있으며, 4개 또는 5개의 금속 레이어를 형성할 때마다 한 번씩 외력 인가를 행할 수도 있다.The
물론, 하나의 완성품을 제조할 때까지 동일한 실행 비율로 반복할 필요는 없으며, 예컨대 적층 초기와 적층 후기에 그 실행 비율을 다르게 할 수 있다. 또한, 인가하는 외력의 강도 또한 적층 초기와 적층 후기에 서로 다르게 조정할 수 있다.Of course, it is not necessary to repeat at the same execution rate until one finished product is manufactured, for example, the execution rate may be different at the initial stage of lamination and at the end of lamination. In addition, the strength of the external force to be applied can also be adjusted differently in the initial stage and in the latter stage of lamination.
본 발명자는 하기와 같은 실험을 통해 본 발명의 실시예에 따른 효과를 확인하였다.The present inventors confirmed the effect according to the embodiment of the present invention through the following experiment.
STS316L 분말을 금속분말로서 공급하고, 3D 프린팅(본 실험에서, DED를 사용)에 사용되는 조형 광원으로서 아크 빔 등을 선택적으로 조사하여 금속분말을 용융하였다. 이렇게 용융된 금속분말을 급랭하여 응고함으로써 금속소재로 이루어진 첫 번째 금속 레이어를 형성하였다. 그런 다음, 하나의 형성된 금속 레이어의 표면에 블라스팅에 의해 외력을 인가하였다. 이어서, 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상술한 금속분말의 공급, 용융, 응고로 인한 금속 레이어 형성 및 블라스팅을 통한 외력 인가를 반복하였다.STS316L powder was supplied as a metal powder, and the metal powder was melted by selectively irradiating an arc beam or the like as a modeling light source used for 3D printing (in this experiment, DED was used). The molten metal powder was rapidly cooled and solidified to form the first metal layer made of a metal material. Then, an external force was applied to the surface of one formed metal layer by blasting. Then, until the three-dimensional object of the metal material was completed, the above-described supply of metal powder, formation of a metal layer due to melting and solidification, and application of external force through blasting were repeated.
이러한 구현예에 의해 형성된 금속 레이어 적층 구조가 도 5에 나타나 있다.A metal layer stack structure formed by this embodiment is shown in FIG. 5 .
한편, 위와 같은 구현예에서 블라스팅에 의해 외력을 가하는 과정을 제외하고 금속 레이어만을 적층하여 얻어진 결과가 도 4에 나타나 있다.Meanwhile, in the above embodiment, the result obtained by stacking only the metal layer except for the process of applying an external force by blasting is shown in FIG. 4 .
외력 인가를 하지 않고 얻어진 적층 구조를 보여주는 도 4와, 본 발명의 구현예에 따라 외력을 인가하는 과정을 포함하여 얻어진 적층 구조를 보여주는 도 5를 비교하면 다음과 같다. A comparison of FIG. 4 showing the laminated structure obtained without applying an external force and FIG. 5 showing the laminated structure obtained including the process of applying an external force according to an embodiment of the present invention is as follows.
도 4를 참조하면, 금속분말이 용융 후 응고되어 관찰되는 미세조직은 그의 응고조직이 수지상(cellular dendritic) 형태로 성장하여 길게 군집형태를 형성하는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 4 , in the microstructure observed after the metal powder is melted and solidified, it was confirmed that the solidified tissue grew in a cellular dendritic form to form a long cluster.
반면, 도 5를 참조하면, 블라스팅 공정을 추가하여 금속분말을 용융 및 응고시켜 관찰되는 미세조직은, 그 응고조직이 등축형 조직에서 더 많이 관찰되는 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, referring to FIG. 5 , in the microstructure observed by melting and solidifying the metal powder by adding a blasting process, it was confirmed that the solidified structure was more observed in the equiaxed structure.
이로부터, 본 발명의 구현예에 따라 외력 인가 고정을 추가함으로서 3D 프린팅에 금속소재를 이용한 경우, 그 미세조직이 개선된다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 이로 인해 별도의 후처리가 불필요하게 되고, 또한 외력 인가 공정에 의해 미세 균열 등을 제거할 수 있기 때문에, 생산성이 향상될 수 있다.From this, it can be confirmed that when a metal material is used for 3D printing by adding an external force applied and fixed according to an embodiment of the present invention, the microstructure is improved. In addition, because of this, a separate post-processing becomes unnecessary, and since microcracks and the like can be removed by an external force application process, productivity can be improved.
본 발명은 상기 구현예 및/또는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments and/or embodiments, but may be manufactured in various different forms, and those skilled in the art to which the present invention pertains may change the technical spirit or essential features of the present invention It will be understood that the present invention may be implemented in other specific forms without not doing so. Therefore, it should be understood that the embodiments and/or embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
100: 프린팅 헤드부 110: 베드
120 : 레이저 헤드 130 : 분말 공급부
140 : 실드 가스 공급부
200: 외력 인가부
300: 제어부100: printing head unit 110: bed
120: laser head 130: powder supply unit
140: shield gas supply
200: external force applying unit
300: control unit
Claims (11)
금속분말을 공급하고, 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원을 조사하여 상기 금속분말의 용융 및 응고에 의해 금속 레이어를 형성하는 레이어 형성 단계;
상기 금속 레이어의 표면에 상기 금속 레이어의 적층 방향으로 외력을 가하는 외력 인가 단계; 및
상기 레이어 형성 단계 및 상기 외력 인가 단계를 반복 실행함으로써 다수의 금속 레이어를 적층해 가는 반복 실행 단계
를 포함하는 프린팅 방법.As a printing method for manufacturing the shape of a metal material by 3D printing technology,
A layer forming step of supplying a metal powder and irradiating a modeling light source used for 3D printing to form a metal layer by melting and solidifying the metal powder;
applying an external force to the surface of the metal layer in a stacking direction of the metal layer; and
Repeated execution of stacking a plurality of metal layers by repeatedly executing the layer forming step and the external force application step
A printing method comprising a.
상기 반복 실행 단계에서, 상기 레이어 형성 단계 및 상기 외력 인가 단계는 한 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 반복하는,
프린팅 방법.According to claim 1,
In the repeated execution step, the layer forming step and the external force application step are repeated every time a metal layer of one layer is formed,
printing method.
상기 반복 실행 단계에서, 상기 레이어 형성 단계 및 상기 외력 인가 단계는 복수 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 한 번씩 외력을 가하는 방식으로 반복하는,
프린팅 방법.According to claim 1,
In the repeated execution step, the layer forming step and the external force application step are repeated in such a way that an external force is applied once every time a plurality of metal layers are formed.
printing method.
상기 외력 인가 단계는, 블라스팅에 의해 입자를 상기 금속 레이어의 표면에 충돌시키는 방식으로 외력을 가하는 단계인,
프린팅 방법.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The step of applying the external force is a step of applying an external force in such a way that particles collide with the surface of the metal layer by blasting,
printing method.
상기 외력 인가 단계는, 해머에 의해 상기 금속 레이어의 표면을 타격하는 방식으로 외력을 가하는 단계인,
프린팅 방법.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The step of applying the external force is a step of applying an external force in a manner that strikes the surface of the metal layer with a hammer,
printing method.
상기 해머에 의한 타격 면적은 직경 1~2mm인, 프린팅 방법.6. The method of claim 5,
The striking area by the hammer is 1 to 2 mm in diameter, the printing method.
상기 외력 인가 단계에서는, 상기 금속 레이어의 적층 방향으로의 두께가 5~10% 감소하도록 외력을 인가하는, 프린팅 방법. 4. The method according to any one of claims 1 to 3,
In the step of applying the external force, the printing method of applying an external force so that the thickness in the stacking direction of the metal layer is reduced by 5 to 10%.
금속분말과 조형 광원을 이용하여 금속분말의 용융 및 응고에 의해 금속 레이어를 형성하도록 구성된 프린팅 헤드부;
상기 금속 레이어의 표면에 상기 금속 레이어의 적층 방향으로 외력을 가하는 외력 인가부; 및
상기 프린팅 헤드부 및 상기 외력 인가부를 제어하여, 금속 레이어 형성 및 외력 인가를 반복 실행하게 하는 제어부
를 포함하는 프린팅 장치.As a printing device for manufacturing the shape of a metal material by 3D printing technology,
a printing head configured to form a metal layer by melting and solidifying the metal powder using the metal powder and the modeling light source;
an external force applying unit for applying an external force to the surface of the metal layer in a stacking direction of the metal layer; and
A control unit that controls the printing head unit and the external force application unit to repeatedly perform metal layer formation and external force application
A printing device comprising a.
상기 제어부는, 상기 프린팅 헤드부 및 상기 외력 인가부를 제어하여, 한 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 금속 레이어의 표면에 외력을 인가하도록 하는, 프린팅 장치.9. The method of claim 8,
The control unit controls the printing head unit and the external force applying unit to apply an external force to the surface of the metal layer whenever one metal layer is formed.
상기 제어부는, 상기 프린팅 헤드부 및 상기 외력 인가부를 제어하여, 복수 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 한 번씩 금속 레이어의 표면에 외력을 인가하도록 하는, 프린팅 장치.9. The method of claim 8,
The control unit controls the printing head unit and the external force applying unit to apply an external force to the surface of the metal layer once every time a plurality of metal layers are formed.
상기 외력 인가부는, 블라스팅에 의해 입자를 상기 금속 레이어의 표면에 충돌시키는 블라스팅 장치, 또는 해머에 의해 상기 금속 레이어의 표면을 타격하는 해머 장치인, 프린팅 장치.
11. The method according to any one of claims 8 to 10,
The external force applying unit is a blasting device that collides particles on the surface of the metal layer by blasting, or a hammer device that strikes the surface of the metal layer by a hammer, a printing device.
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