KR20210084756A - 다공성부를 포함하는 금형 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다공성부를 포함하는 금형 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 금속 3D 프린팅 공정에 의하여 기공도가 조절된 다공성부가 금형 내에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 다공성부를 포함하는 금형 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다공성부를 포함하는 금형은 3D 프린팅 공정에 의해 제조되는 금형 내에 다공성부가 일체로 포함됨으로써 금형에 성형 재료를 공급 이후 성형 재료가 냉각되면서 발생하는 기체를 금형 내의 다공성부가 수용함으로써, 제조되는 성형체에 에어벤트의 자국이 없이 공기 등이 봉입되는 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 다공성부를 포함하는 금형은 3D 프린팅 공정에 의해 제조되는 금형 내에 다공성부가 일체로 포함됨으로써 금형에 성형 재료를 공급 이후 성형 재료가 냉각되면서 발생하는 기체를 금형 내의 다공성부가 수용함으로써, 제조되는 성형체에 에어벤트의 자국이 없이 공기 등이 봉입되는 문제를 해결할 수 있다.
Description
본 발명은 다공성부를 포함하는 금형 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 3D 프린팅 공정에 의하여 기공도가 조절된 다공성부가 금형 내에 일체로 포함되는 다공성부를 포함하는 금속 금형 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
금형은 수지나 용융된 금속 등을 금형의 형상에 맞도록 제조하기 위한 것으로, 제품 성형시에는 원료를 금형에 주입하여 금형의 형상을 가지는 제품을 제조한다.
그러나, 운동화의 중창과 같은 성형 제품을 제조하기 위해서 수지를 기존의 발포 금형에 주입하는 경우, 금형 성형면과 제품 원료 사이에 원료가 공급되면서 같이 공기가 봉입되어 이를 제거해야 하는 문제가 있다.
종래 이를 위해 공기 통로를 이용하여 공기를 제거하는 방법이 있는데, 이는 성형 제품 표면이 매끄럽지 못하고 에어벤트 자국이 남는 문제를 발생시킨다.
본 발명은 상기와 같은 성형체에 에어벤트 자국이 남으면서 공기 등이 봉입되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 3D 프린팅 공정을 이용하여 다공성부가 일체로 포함되는 금속 금형을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 의한 다공성부를 일체로 포함하는 금형을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형은 성형재료와 접하는 부분에 적어도 하나 이상의 다공성부를 일체적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 의한 다공성부를 포함하는 금형에 있어서, 상기 다공성부는 금형의 성형 재료가 맞닿는 부분의 전부 또는 일부를 포함하는 영역이다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형의 다공성부는 성형 재료와 접하는 금형 표면에서 금형 내부 방향으로 다공도가 감소하는 것일 수 있다. 본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형의 다공성부의 다공도는 금형 표면에서 금형 내부 방향으로 점진적으로 감소하거나, 일정한 차이를 나타내면서 감소하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 의한 다공성부를 포함하는 금형에 있어서, 상기 다공성부는 두 개 이상이고, 두 개 이상의 다공성부는 서로 각각 형상 또는 기공도가 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 다공성부를 포함하는 금형은 상기 적어도 하나 이상의 다공성부 중 전부 또는 일부와 금형 외부의 공간을 연통하는 공기통로부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 다공성부를 포함하는 금형은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 및 잔부로서 철(Fe)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형은 전체 함량 대비, 니켈(Ni) 1.65 내지 2.0중량%, 크롬(Cr) 0.7 내지 0.9중량%, 망간(Mn) 0.6 내지 0.8중량%, 탄소(C) 0.37 내지 0.43중량%, 몰리브덴(Mo) 0.2 내지 0.3중량%, 규소(Si) 0.15 내지 0.3중량%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형은 전체 함량 대비, 황(S) 0.0001 내지 0.04중량%, 또는 인(P) 0.0001 내지 0.035중량%을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 다공성부를 포함하는 금형에 있어서, 성형재료와 접하는 부분의 전부 또는 일부는 패턴이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명은 또한,
금속 분말을 준비하는 제 1 단계;
3D 프린팅 챔버 내에 상기 금속 분말을 공급하고 평탄화시키는 제 2 단계;
상기 평탄화된 금속 분말에 레이저를 조사하여 조사된 부분을 용융시키는 제 3 단계;
상기 용융된 부분을 응고시키는 제 4 단계; 및
상기 제 2 단계 내지 제 4 단계를 반복하여 3차원 형상으로 적층하는 제 5 단계를 포함하고,
상기 제 3 단계는 레이저 파워, 스캔 속도 또는 해치 간격(hatch spacing)을 조절하여 레이저를 조사함으로서 기공도가 조절된 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅 공정에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조 방법에 있어서, 상기 제 3 단계는 금형 제조시에는 기공을 포함하지 않는 금형 부분을 제조하는 단계 및 레이저 파워, 스캔 속도 또는 해치 간격(hatch spacing)을 조절하여 레이저를 조사함으로서 기공도가 조절된 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅 공정에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조 방법에 있어서 상기 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계에서는 조사되는 레이저의 레이저 파워, 스캔 속도 또는 해치 간격(hatch spacing)을 조절하여 원하는 기공도를 나타내는 다공성부를 제조한다. 상기 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계에서는 필요시 복수개의 다공성부에 조사되는 레이저 파워, 스캔 속도 또는 해치 간격(hatch spacing)을 서로 상이하도록 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅 공정에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조 방법에 있어서 상기 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계에서는 금형과 재료가 접하는 표면으로부터 금형 내부로 갈수록 상기 다공성부의 기공도를 증가하도록 조절할 수 있다. 이와 같이 금형 내부로 갈수록 기공도가 증가하는 경우 모세관 현상에 의해 금형 표면에서 발생되는 공기가 금형 내부로 확산되기 용이해 진다.
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅 공정에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조 방법에 있어서 상기 다공성부를 제조하는 단계에서 조사되는 레이저의 출력은 100 내지 300와트(W)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅 공정에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조 방법에 있어서 상기 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계에서 조사되는 레이저의 해치 간격(hatch spacing)은 0.08 내지 0.20mm일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅 공정에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조 방법에 있어서 상기 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계에서 조사되는 레이저의 스캔 속도는 800 내지 2400mm/s일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅 공정에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조 방법에 있어서 상기 2 단계에서 공급되고 평탄화된 금속 분말의 적층 두께는 0.020 내지 0.030nm일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅 공정에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조 방법에 있어서 상기 3 차원 형상으로 적층하는 단계 이후에 형성된 다공성 금형의 표면상에 패턴을 형성시키는 제 6 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅 공정에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조 방법에 있어서 상기 다공성 금형의 표면상에 패턴을 형성시키는 제 6 단계는 부식지를 다공성 표면상에 부착하는 제 6-1 단계; 상기 부식지가 부착된 다공성 표면을 나이탈(nital) 용액으로 에칭하는 제 6-2 단계; 및 상기 부식지를 제거하는 제 6-3 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅 공정에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조 방법에 있어서 상기 나이탈(nital) 용액은 상기 용액 전체 함량 대비 에탄올 95 내지 98% 및 질산 2 내지 5중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅 공정에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조 방법에 있어서 상기 3 차원 형상으로 적층하는 제 5 단계 이후 및 상기 다공성 금형의 표면상에 패턴을 형성시키는 제 6 단계 이전에 상기 다공성 금형의 표면을 폴리싱(polishing) 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형은 3D 프린팅 공정에 의해 적어도 하나 이상의 다공성부가 금형 내에 일체로 포함됨으로써 금형으로 제조하고자 하는 성형체에 에어벤트의 자국이 없이 공기 등이 봉입되는 문제를 해결할 수 있다. .
도 1은 본 발명의 실시예를 따르는 금형 내에 일체적으로 다공성부를 포함하는 금형을 도시한 것이다.
도 2은 본 발명의 실시예를 따르는 3D 프린팅 공정에 의해 금형 내의 기공도를 조절하는 공정을 도시한 것이다.
도 3는 본 발명의 실시예를 따르는 3D 프린팅 공정에 의해 제조되고기공도가 조절된 다공성 금형의 표면을 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 실시예를 따르는 금속 3D 프린팅 공정에 따라 기공도가 조절된 다공성 금형의 표면을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예를 따르는 금속 3D 프린팅을 통한 다공성 금형의 공정 조건에 따른 다공성 금형의 밀도변화를 나타낸 그래프이다.
도 6 본 발명의 실시예를 따르는 금속 3D 프린팅을 통한 다공성 금형의 공정 조건에 따른 다공성 금형의 밀도변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예를 따르는 금속 3D 프린팅을 통한 다공성 금형의 공정 조건에 따른 다공성 금형의 기공 형상의 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예를 따르는 금속 3D 프린팅을 통한 공정을 다공성 금형에 적용한 결과이다.
도 9은 본 발명의 실시예를 따르는 부식 공정을 수행하는 과정을 나타낸 것이다.
도 10(a)는 본 발명의 실시예를 따르는 운동화 제작을 위한 다공성 금형을 제작한 것이고, 도 10(b)는 상기 다공성 금형으로 제조한 운동화 아웃솔을 나타낸 것이다.
도 2은 본 발명의 실시예를 따르는 3D 프린팅 공정에 의해 금형 내의 기공도를 조절하는 공정을 도시한 것이다.
도 3는 본 발명의 실시예를 따르는 3D 프린팅 공정에 의해 제조되고기공도가 조절된 다공성 금형의 표면을 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 실시예를 따르는 금속 3D 프린팅 공정에 따라 기공도가 조절된 다공성 금형의 표면을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예를 따르는 금속 3D 프린팅을 통한 다공성 금형의 공정 조건에 따른 다공성 금형의 밀도변화를 나타낸 그래프이다.
도 6 본 발명의 실시예를 따르는 금속 3D 프린팅을 통한 다공성 금형의 공정 조건에 따른 다공성 금형의 밀도변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예를 따르는 금속 3D 프린팅을 통한 다공성 금형의 공정 조건에 따른 다공성 금형의 기공 형상의 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예를 따르는 금속 3D 프린팅을 통한 공정을 다공성 금형에 적용한 결과이다.
도 9은 본 발명의 실시예를 따르는 부식 공정을 수행하는 과정을 나타낸 것이다.
도 10(a)는 본 발명의 실시예를 따르는 운동화 제작을 위한 다공성 금형을 제작한 것이고, 도 10(b)는 상기 다공성 금형으로 제조한 운동화 아웃솔을 나타낸 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 문구 또는 문장에서 특별히 다르게 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 "바람직한" 및 "바람직하게"는 소정 환경 하에서 소정의 이점을 제공할 수 있는 본 발명의 실시 형태를 지칭한다. 그러나, 동일한 환경 또는 다른 환경 하에서, 다른 실시 형태가 또한 바람직할 수 있다. 추가로, 하나 이상의 바람직한 실시 형태의 언급은 다른 실시 형태가 유용하지 않다는 것을 의미하지 않으며, 본 발명의 범주로부터 다른 실시 형태를 배제하고자 하는 것은 아니다.
본 발명은 성형재료와 접하는 부분에 적어도 하나 이상의 다공성부를 일체적으로 포함하는 다공성부를 포함하는 금형을 제공한다. 본 발명에 있어서 일체적으로 다공성부를 포함하는 것은 다공성부 외의 금형 부분과 다공성부가 분리가 불가능하도록 일체적으로 형성되는 것을 포함한다. 본 발명에 의한 다공성부를 포함하는 금형은 후술하는 3D 프린팅 공정에 의해 순차적으로 적층되어 형성되며, 각층마다 적층 조건을 변경하여 3D 프린팅 공정을 수행함으로써 금형 내에 분리가 불가능하도록 일체적으로 형성되는 다공성부를 포함하게 된다.
보다 구체적으로는 금속 3D 프린팅 공정에서 원하는 영역에 따라 조사되는 레이저의 레이저 파워, 스캔 속도 및 해치 간격 (hatch spacing)을 조절하여 원하는 기공도로 제조하는 것이 가능하기 때문이다. 이에 관하여는 후술한다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형은 독립된 적어도 하나 이상의 다공성부를 포함하고, 상기 다공성부는 금형 내에서 일체로 이루어진다(도 1).
상기 다공성부는 금형과 성형 재료가 맞닿는 부분의 전부 또는 일부를 포함하는 영역으로서, 얇은 막의 형상 또는 3차원의 부피를 가지는 형상일 수 있다. 다공성부는 3차원의 부피를 가지는 형상으로서 정육면체, 정팔면체, 또는 무정형의 형상일 수 있으나, 그 형상에는 특별한 제한이 없다.
이와 같이 본 발명에 의한 다공성부를 포함하는 금형은 금형과 성형 재료가 맞닿는 부분의 전부 또는 일부에 다공성부를 포함함으로서, 금형내에 성형재료를 공급한 이후, 성형 재료가 냉각되면서 발생되는 기체를 다공성부가 수용함으로써 성형체 표면에 에어벤트 자국이 남는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 다공성부는 금형과 성형 재료가 접하는 금형 전체에 걸쳐 형성될 수도 있고, 금형의 일부에 걸쳐 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형에 있어서, 상기 다공성부는 독립하여 형성되는 두 개 이상이고, 두 개 이상의 다공성부는 서로 각각 기공도가 동일하거나 상이할 수 있다.
이와 같이 다공성부가 위치하는 영역 및 그 형상을 제한 없이 필요에 따라 각각의 다공성부 별로 서로 동일하거나 상이하게 제조할 수 있고, 각각의 다공성부 별로 기공도를 서로 동일하거나 상이하게 제조할 수 있는 것은 하기 후술할 3D 프린팅 공정에서 위치에 따라 조사되는 레이저의 레이저 파워, 스캔 속도 및 해치 간격 (hatch spacing)을 조절하여 원하는 영역을 지정하여 원하는 기공도로 제조하는 것이 가능하기 때문이다. 이에 관하여는 후술한다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형에 있어서, 성형 재료와 접하는 금형 표면에서 금형 내부 방향으로 상기 다공성부의 기공도가 감소하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 금형 표면에서 금형 내부 방향으로 다공성부의 기공도를 감소하게 형성함으로써, 성형 재료가 냉각되면서 발생되는 기체가 모세관 현상에 의해 다공성부의 내부로 수용되기 용이하게 된다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형에서 상기 금형은 상기 적어도 하나 이상의 다공성부 중 전부 또는 일부와 금형 외부의 공간을 연통하는 공기통로부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 금형에 포함되는 공기통로부는 성형체에 직접적으로 닿지 않고, 다공성부와 연통되어 금형 외부로 공기를 배출하므로, 금형에 성형재료가 공급된 후 냉각하면서 발생하는 공기를 다공성부가 일차적으로 수용하고, 다시 공기통로부를 통해 외부로 배출할 수 있으므로, 성형체에 에어벤트 자국을 남기지 않으면서 성형체와 금형 사이의 공기 고임을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 및 잔부로서 철(Fe)을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는, 금형 전체 함량 대비, 니켈(Ni) 1.65 내지 2.0중량%, 크롬(Cr) 0.7 내지 0.9중량%, 망간(Mn) 0.6 내지 0.8중량%, 탄소(C) 0.37 내지 0.43중량%, 몰리브덴(Mo) 0.2 내지 0.3중량%, 규소(Si) 0.15 내지 0.3중량%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 또한, 황(S) 0.0001 내지 0.04중량%, 또는 인(P) 0.0001 내지 0.035중량%을 더 포함할 수 있다.
상기 금형 소재의 상기 조성비는 하기 후술할 부식 공정을 통하여 패턴 이식이 가능하면서 가공성이 좋은 금형을 제조하기 적합한 소재 및 그 조성비이다. 또한, 하기 후술할 레이저 파워 및 해치 간격을 조절함으로서 기공도를 조절하기 용이한 소재이다. 다만, 본 발명은 상기 소재에 특별히 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형의 상기 성형체와 접하는 부분의 전부 또는 일부는 패턴이 형성되어 있을 수 있다. 이러한 금형에 포함되는 패턴에 따라 제조하고자 하는 성형품에 패턴을 입힐 수 있다. 따라서 하기 후술할 부식 공정을 통하여 패턴 이식이 가능한 금속 소재의 선정은 중요하며, 이는 전술한 바와 같다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형을 금속 3D 프린팅을 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 금속 분말을 준비하는 제 1 단계; 3D 프린팅 챔버 내에 상기 금속 분말을 적층시키고 평탄화시키는 제 2 단계; 상기 평탄화된 금속 분말에 레이저를 조사하여 조사된 부분을 용융시키는 제 3 단계; 상기 용융된 부분을 응고시키는 제 4 단계; 및 상기 제 2 단계 내지 제 4 단계를 반복하면서 3차원 형상으로 적층하는 제 5 단계를 포함한다.
또한, 상기 3 단계는 레이저 조사시 레이저 파워, 스캔 속도 또는 해치 간격(hatch spacing)을 조절하여 기공도가 조절된 다공성부를 제조하는 제 3- 1 단계를 포함한다.
본 발명의 제조 방법에서 사용되는 금속 분말을 토너로 사용한 3D 프린팅 기법을 이용하여 금속 3차원 형상을 제조하는 기술의 장점은 복잡한 형상의 디자인을 용이하게 접목시킬 수 있다는 것이다. 본 발명의 실시예는 챔버 내에 금속 분말을 평탄화 시킨 다음, 레이저로 상기 금속 분말을 선택적으로 용융 및 응고시키는 과정을 통해 금속 분말을 적층해가면서 3차원 형상을 제조하는 공정을 수행한다.
또한, 본 발명은 순차적으로 적층되는 금속 분말에 레이저 파워, 스캔 속도 및 해치 간격 (hatch spacing)을 조절하여 레이저를 조사함으로서 다공성부가 형성되는 영역을 설정하고, 각 다공성부마다 원하는 기공도를 자유롭게 조절할 수 있다. 즉, 금속 3D 프린팅 공정에서 어느 시점부터 어떤 조건으로 적용할 것인지 제어함으로서 기공도가 형성되는 공간 부분을 설계하는 것이 가능한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예를 따르는 금형을 제조하는 방법은 상기 3 단계에서 특정 기공도를 갖는 다공성부가 형성되는 영역의 위치를 조절할 수 있다. 본 발명은 상기 2 내지 4 단계를 반복하면서 3 차원 형상으로 적층하는 단계를 수행하는데, 다공성 금형에서 z축 상의 기공이 형성되기를 원하는 적층 단계를 선정하고, x-y축 평면 상의 전부 또는 일부를 선정하여 레이저를 스캔하도록 조절함으로서 특정 기공도를 갖는 다공성부가 형성되는 영역의 위치를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예를 따르는 금형을 제조하는 방법은 각각의 다공성부 다공성부별로 기공의 크기 또는 기공 사이의 간격을 조절할 수 있다. 즉, 일 실시예로서 상기 다공성부를 제조하는 단계에서 조사되는 레이저의 레이저 파워, 스캔 속도 또는 해치 간격(hatch spacing)은 다른 다공성부 또는 다공성부를 제외한 금형의 일부 또는 전부를 제조시 조사되는 레이저 파워, 스캔 속도 또는 해치 간격(hatch spacing)과 상이하도록 조절할 수 있다. 일 실시예로서, 둘 이상의 다공성부 중 일부 다공성부의 기공도를 크게 하고, 나머지 다른 다공성부의 기공도를 작게 조절할 수 있다.
일 실시예로서 하나의 다공성부에 있어서도 모세관 현상에 의해 발생되는 기체를 수용하는 것을 용이하게 하기 위하여, 재료와 접하는 금형 표면에서 금형 내부 방향으로 기공도가 감소하도록 조절할 수 있다.
도 2을 참조하면, 해치 간격을 점점 넓히게 되면 레이저가 조사되어 용융되는 멜팅 풀(melting pool) 사이에 공간이 형성된다. 이에 따라 해치 간격을 넓히게 되면 기공도가 커지고, 해치 긴격을 좁히게 되면 기공도가 작아진다. 즉, 해치 간격을 조절함으로서 기공도의 크기를 조절할 수 있다.
또한, 레이저 파워를 조절하여 멜팅 풀(melting pool)의 영역 크기를 조절할 수 있다. 레이저 파워가 커지면 멜팅 풀(melting pool)의 영역 크기가 커지므로, 이를 이용하여 기공도를 조절할 수 있다. 또한, 스캔 속도에 따라 용융 정도를 조절할 수 있어 이를 이용하여 기공도를 조절할 수 있다.
일 실시예로서 레이저 파워 및 스캔 속도에 따른 기공도의 변화를 도 3 내지 도 4에 나타내었다. 또한, 레이저 에너지 밀도에 따라 제조되는 다공성부의 밀도의 변화를 나타낸 그래프를 도 5 내지 6에 도시하였다.
상기 레이저 에너지 밀도는 하기 식 1에 의해 표현될 수 있다.
<식 1>
(상기 식 1에서 P는 레이저 파워(watt), v는 스캔 속도(mm/s), h는 해치 간격(mm), t는 적층 두께(mm), E는 레이저 에너지 밀도(J/mm3)
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형을 금속 3D 프린팅을 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 상기 다공성부를 제조하는 단계에서 조사되는 레이저의 파워는 100 내지 300 와트일 수 있으며, 구체적으로는 100, 150, 200, 250, 또는 300 와트일 수 있다. 상기 값으로 조절하는 경우 기공도가 균일하고 물성이 좋은 다공성부를 포함하는 금형이 제조될 수 있지만, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형을 금속 3D 프린팅을 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 상기 다공성부를 제조하는 단계에서 조사되는 레이저의 해치 간격(hatch spacing)은 0.08 내지 0.20 mm 일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 0.08, 0.09, 0.1, 0.11, 0.12, 0.13, 0.14, 0.15, 0.16, 0.17, 0.18, 0.19 또는 0.20mm일 수 있다. 레이저의 해치 간격(hatch spacing)을 상기 값으로 조절하는 경우 기공도가 균일하고 물성이 좋은 다공성부를 포함하는 금형이 제조될 수 있지만, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형을 금속 3D 프린팅을 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 상기 다공성부를 제조하는 단계에서 조사되는 레이저의 스캔 속도는 800 내지 2400 mm/s 일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 또는 2400mm/s일 수 있다. 상기 값으로 조절하는 경우 기공도가 균일하고 물성이 좋은 다공성부를 포함하는 금형이 제조될 수 있지만, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형을 금속 3D 프린팅을 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 상기 2 단계에서 평탄화된 금속 분말이 쌓인 두께는 0.020 내지 0.030nm일 수 있다. 상기 값으로 조절하는 경우 기공도가 균일하고 물성이 좋은 다공성부를 포함하는 금형이 제조될 수 있지만, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
도 7 내지 8에 본 발명의 실시예에 따라 조절된 기공도를 갖는 금형을 도시하였다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형을 금속 3D 프린팅을 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 상기 3 차원 형상으로 적층하는 단계 이후에 형성된 다공성 금형의 표면상에 패턴을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형을 금속 3D 프린팅을 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 상기 다공성 금형의 표면상에 패턴을 형성시키는 단계는 부식지를 다공성 표면상에 부착하는 단계; 상기 부식지가 부착된 다공성 표면을 나이탈(nital) 용액으로 에칭하는 단계; 및 상기 부식지를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형을 금속 3D 프린팅을 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 상기 나이탈(nital) 용액은 상기 용액 전체 함량 대비 에탄올 95 내지 98% 및 질산 2 내지 5중량%를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 에탄올 97% 및 질산 3%의 나이탈 용액으로 에칭 단계를 수행한 다음 부식지를 제거하기 전 및 후의 사진을 도 9에 도시하였다. 부식지를 제거한 후에 부식지의 패턴이 뚜렷하게 형성된 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형을 금속 3D 프린팅을 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 상기 3 차원 형상으로 적층하는 단계 이후 및 상기 다공성 금형의 표면상에 패턴을 형성시키는 단계 이전에 상기 다공성 금형의 표면을 폴리싱(polishing) 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 다공성부를 포함하는 금형은 상기 제조방법에 의해서 제조될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 제조방법에 따라 제조한 금형으로 운동화의 중창을 제조한 결과를 도 10에 도시하였다. 상기 제조된 운동화의 중창은 패턴이 명확하게 형성되어 있고 에어벤트 자국이 없음을 확인할 수 있다.
Claims (18)
- 성형재료와 접하는 부분에 적어도 하나 이상의 다공성부를 일체적으로 포함하는,
다공성부를 포함하는 금형.
- 제 1 항에 있어서,
성형 재료와 접하는 금형 표면에서 금형 내부 방향으로 상기 다공성부의 다공도가 감소하는 것인,
다공성부를 포함하는 금형.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다공성부는 두 개 이상이고, 각각의 다공성부의 형상 또는 기공도가 동일하거나 상이한,
다공성부를 포함하는 금형.
- 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 다공성부 중 전부 또는 일부와 금형 외부의 공간을 연통하는 공기통로부를 더 포함하는,
다공성부를 포함하는 금형.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금형은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 및 잔부로서 철(Fe)을 포함하는,
다공성부를 포함하는 금형.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다공성부를 포함하는 금형은 전체 함량 대비, 니켈(Ni) 1.65 내지 2.0중량%, 크롬(Cr) 0.7 내지 0.9중량%, 망간(Mn) 0.6 내지 0.8중량%, 탄소(C) 0.37 내지 0.43중량%, 몰리브덴(Mo) 0.2 내지 0.3중량%, 규소(Si) 0.15 내지 0.3중량%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는,
다공성부를 포함하는 금형.
- 제 6 항에 있어서,
상기 다공성부를 포함하는 금형은 전체 함량 대비, 황(S) 0.0001 내지 0.04중량%, 또는 인(P) 0.0001 내지 0.035중량%을 더 포함하는,
다공성부를 포함하는 금형.
- 제 1 항에 있어서,
상기 성형재료와 접하는 부분의 전부 또는 일부는 패턴이 형성되어 있는,
다공성부를 포함하는 금형.
- 금속 분말을 준비하는 제 1 단계;
3D 프린팅 챔버 내에 상기 금속 분말을 적층하고 평탄화시키는 제 2 단계;
상기 평탄화된 금속 분말에 레이저를 조사하여 조사된 부분을 용융시키는 제 3 단계;
상기 용융된 부분을 응고시키는 제 4 단계; 및
상기 제 2 단계 내지 제 4 단계를 반복하면서 3차원 형상으로 적층하는 제 5 단계를 포함하고,
상기 제 3 단계는 레이저 조사시 레이저 파워, 스캔 속도 또는 해치 간격(hatch spacing)을 조절하여 기공도가 조절된 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계를 포함하는,
제 1 항에 의한 다공성부를 포함하는 금형의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계에서는,
상기 다공성부 제조시 조사되는 레이저 파워, 스캔 속도 또는 해치 간격(hatch spacing)를 상기 다공성부 이외의 금형 제조시 조사되는 레이저 파워, 스캔 속도 또는 해치 간격(hatch spacing)과 상이하도록 조절하는 것인,
다공성부를 포함하는 금형의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계에서 조사되는 레이저의 레이저 파워는 100 내지 300와트(W)인,
다공성부를 포함하는 금형의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계에서 조사되는 레이저의 해치 간격(hatch spacing)은 0.08 내지 0.20mm인,
다공성부를 포함하는 금형의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 다공성부를 제조하는 제 3-1 단계에서 조사되는 레이저의 스캔 속도는 800 내지 2400mm/s인,
다공성부를 포함하는 금형의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제 2 단계에서 평탄화된 금속 분말의 적층 두께는 0.020 내지 0.030nm인,
다공성부를 포함하는 금형의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 3 차원 형상으로 적층하는 제 5 단계 이후에 형성된 다공성 금형의 표면상에 패턴을 형성시키는 제 6 단계를 더 포함하는,
다공성부를 포함하는 금형의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 다공성 금형의 표면상에 패턴을 형성시키는 제 6 단계는
부식지를 다공성 표면상에 부착하는 제 6-1 단계;
상기 부식지가 부착된 다공성 표면을 나이탈(nital) 용액으로 에칭하는 제 6-2 단계; 및
상기 부식지를 제거하는 제 6-3 단계를 포함하는,
다공성부를 포함하는 금형의 제조방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 나이탈(nital) 용액은 상기 용액 전체 함량 대비 에탄올 95 내지 98% 및 질산 2 내지 5중량%를 포함하는,
다공성부를 포함하는 금형의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 3 차원 형상으로 적층하는 제 5 단계 수행 이후 및 상기 다공성 금형의 표면상에 패턴을 형성시키는 제 6 단계 수행 이전에 상기 다공성 금형의 표면을 폴리싱(polishing) 하는 단계를 더 포함하는,
다공성부를 포함하는 금형의 제조방법.
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2020
- 2020-11-13 WO PCT/KR2020/015995 patent/WO2021132883A1/ko active Application Filing
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007203613A (ja) | 2006-02-02 | 2007-08-16 | Mitsubishi Electric Corp | 回路基板用成形金型 |
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|---|---|---|---|---|
| KR102599323B1 (ko) * | 2023-05-09 | 2023-11-08 | 엠쓰리파트너스 주식회사 | 3d 프린팅을 이용한 금형 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 금형 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2021132883A1 (ko) | 2021-07-01 |
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