KR20220024016A - 레이저 소결용 분말 및 그의 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저의 복사 에너지의 결합을 향상시키는 것을 가능하게 하는 레이저 소결용 표면 개질 분말에 관한 것이다. 특히 레이저 복사에 대해 낮은 흡수도를 갖는 물질의 레이저 소결에서 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있는 분말을 제안한다. 상기 표면 개질 분말은 입자 코어 및 각 입자 코어의 표면에 결합된 레이저 흡수체를 갖고, 상기 레이저 흡수체는 각 입자 코어의 표면의 최소 30%를 차지하고 그리고 입자 코어에 비해 레이저 소결을 위한 레이저 복사에 대해 더 높은 흡수도를 갖는다.
Description
본 발명은 레이저 소결용 분말 및 상기 분말의 용도에 관한 것이다.
분말 베드(powder bed)에서의 레이저 소결은, 예를 들어, 금속 또는 폴리머로 구성된 분말이 바인더를 사용하지 않고 소결되거나 또는 완전히 용해되고 그리고 융체(melt)의 고형화 후에 고밀도의 균질 재질을 형성하는 과정이다. 분말 베드에서의 레이저 소결에서 레이저를 통해 공급되는 에너지는 분말 베드에 의해 흡수되고 그리고 총 표면적이 감소되고 국소적으로 범위가 정해진(locally delimited) 분자의 소결 또는 용해로 이어진다.
선택적 레이저 소결(SLS: selective laser sintering)은 레이저를 사용하는 레이저 소결에 의해 분말로부터 예를 들어 부품(component)과 같은 3차원 입체 구조물을 제작하기 위한 적층 제조 과정이다. 생산할 부품의 기하학적 데이터(geometric data)는 레이어 데이터(layer data)로서 제시되어어야 한다. 예를 들어 금속 또는 세라믹 분말과 같은 분말은 제작 플랫폼(building platform)의 면적 전체에 1μm 내지 200μm의 레이어 두께로 적층된다. 레이어는 상기 레이어 데이터를 기반으로 한 부품의 레이어 윤곽(contour)에 따른 컴퓨터 제어 하에 분말 베드에서 소결된다. 그 다음에 다음 레이어를 적층하기 위하여 상기 제작 플랫폼은 각 단계 전에 약간 낮춰진다. 부품을 한 레이어씩 제작함으로써 언더컷(undercut) 윤곽도 제작하는 것이 가능하다. SLS의 가장 큰 이점은 지지 구조물이 필요하지 않다는 것이다. 상기 부품은 그의 제작 중에 그 주위의 분말에 의해 지지된다. 제조 과정이 끝나면 남은 분말은 털어 낼 수 있다.
레이저 소결은 특히 780nm 내지 3000nm의 근적외선 범위 내의 레이저 광선을 생성하는 광섬유 레이저 또는 Nd:YAG 레이저를 사용하여 실행될 수 있다. 레이저 소결을 위해 사용되는 분말은 물질의 구성에 따라 정의된 파장을 가진 레이저 광선에 대해 상이한 흡수도(degree of absorption)를 갖는다. 입사된 레이저 광선의 어느 부분(fraction)이 분말에 의해 흡수되는지는 분광 흡수 계수로도 지칭되는 흡수도의 따라 결정된다.
근적외선 범위 내의 통상적인 레이저 파장에서 낮은 흡수도를 갖는 분말은 레이저 소결 도중에 문제를 야기한다. 예를 들어 1064nm의 통상적인 레이저 파장에서 구리의 흡수도는 5% 이하이다. 낮은 흡수도 때문에 구리 분말은 통상적인 레이저 파장을 갖는 종래의 레이저를 사용하여 소결될 수 없다. 이 레이저 파장에서는 구리 분말의 반사 성질 때문에 복사 에너지 대부분이 분말을 위한 지지면 내로 흡수되고 그리고 열 과부하를 야기하거나 지지면의 파괴까지 야기할 수 있다.
이 선행기술에서 비롯하여 본 발명의 목적은 향상된 레이저의 복사 에너지 흡수를 가능하게 하는 레이저 소결용 분말을 제안하는 것이다. 특히 레이저 복사에 있어서 낮은 흡수도를 갖는 물질의 레이저 소결에서 문제가 발생하는 것을 방지하거나 또는 문제 발생을 상당히 감소시키는 분말을 제안한다.
또한 레이어 및 3차원 입체 구조물을 제조하기 위한 과정을 제안한다.
본 발명의 목적의 달성은 레이저 소결을 위한 레이저 복사의 파장 영역에서 향상된 흡수 성질을 갖는 표면 개질(surface-modified) 분말을 제공하는 목표를 기반으로 한다.
구체적으로 본 발명의 목적은 레이저 소결을 위한 표면 개질 분말에 의해 달성되고, 상기 분말은 입자 코어(particle core) 및 각 입자 코어의 표면에 결합된 레이저 흡수체를 포함하고, 상기 레이저 흡수체는 각 입자 코어의 표면의 최소 25%, 바람직하게는 30%를 차지하고 그리고 입자 코어에 비해 레이저 소결을 위한 레이저 복사에 대해 더 높은 흡수도를 갖는다. 상기 분말의 입자는 모두 동일한 물질로 이루어진다. 그러나 상기 분말의 입자는 서로 다른 크기 및 모양을 가질 수 있다. 상기 입자는 바람직하게는 10μm 내지 100μm의 범위 내의 등가 직경 D50의 입자 크기를 갖는다.
상기 레이저 흡수체는 입자 코어의 표면에 결합된 분자이고 그리고 입자 코어의 물질보다 입자상의 레이저 복사 입사를 더 강하게 흡수하는 물질로 구성된다. 흡수된 레이저 복사는 레이저 흡수체에서 실질적으로 열로 전환된다. 상기 레이저 흡수체가 표면에 부착되어 있기 때문에 열전도에 의해 열이 입자 코어로 전달된다. 입자 코어 및 레이저 흡수체 사이의 열전도에 필요한 온도차는 레이저 흡수체에 비해 레이저 복사에 대한 입자 코어의 낮은 흡수도 때문에 입자 코어의 더 낮은 가열 정도(lower degree of heating)에 의해 야기된다.
레이저 소결에 본질적으로 적합한 분말에 관하여 레이저의 정의된 파장에서 복사 흡수를 향상시키기 위한 레이저 흡수체의 흡수도 및 입자 코어의 흡수도의 차이는 입자 코어의 흡수도의 최소 10%이다. 예를 들어 입자 코어의 흡수도가 50%일 때는 상기 차이가 최소 5%이고, 즉 최소 55%의 흡수도를 갖는 흡수체는 분말 베드에서의 레이저 소결에 필요한 시간을 상당히 단축시킬 것이다.
예를 들어 순동으로 구성된 분말과 같이 레이저 소결에 본질적으로 부적합한 분말의 경우 레이서 소결을 가능하게 만들기 위해서는 레이저 흡수체의 흡수도 및 입자 코어의 흡수도의 차이가 상당히 더 커야한다. 광섬유 레이저의 일반적인 파장인 1064nm에서는 순동의 흡수도가 약 5%이다. 순동으로 구성된 입자 코어를 소결하기 위해서는 부착된 흡수체의 흡수도가 최소 20%, 바람직하게는 30%이어야 한다.
레이저 흡수체, 즉 레이저 복사를 흡수하는 분자는 바람직하게는 흡착에 의해 각 입자 코어의 표면에 결합된다. 부착은 특히 물리 흡착에 의해 일어나고, 물리 흡착은 분자가 반 데르 발스의 힘에 의해 각 입자 코어의 표면에 결합되는 흡착의 유형이다. 물리 흡착에서 작용하는 정전력은 화학 결합의 정전력보다 약하고, 이는 고려 사항에 들 수도 있지만, 소결 과정을 위해 분자를 입자 코어의 표면에 안정적으로 충분히 강력하게 부착하기에는 충분하다. 물리 흡착 또는 반 데르 발스의 힘에 의한 결합의 한 이점은 입자 코어 및 레이저 흡수체의 변화가 적다는 것이다.
입자 코어 및 레이저 흡수체를 위한 물질의 흡수 특성(absorption behavior)은 바람직하게는 근적외선 범위 내의 파장, 특히 1064nm의 파장을 갖는 레이저 복사에 대해 결정된다. 근적외선 범위는 780nm부터 3μm까지이고 그리고 레이저 소결을 위한 고체 레이저에 의해 방사되는 레이저 복사의 일반적인 파장을 포함한다. 예를 들어 Nd:YAG 고체 레이저는 1064nm의 파장을 갖는 레이저 복사를 방사한다.
상기 분말은 바람직하게는 근적외선 범위 내, 특히 1064nm에서 입사 레이저 복사에 대해 30% 이하의 상대적으로 낮은 흡수도를 갖는 입자 코어를 포함한다. 입자 코어 물질은 금속 또는 그의 합금, 예를 들어 구리, 구리 합금, 철, 철 합금, 고율 함유량의 니켈, 크롬, 바나듐 또는 몰리브텐을 갖는 스테인리스 강, 그리고 티타늄 및 티타늄 합금이다. 그러나 상기 입자 코어는 유리 또는 세라믹으로도 이루어질 수 있다.
일부 금속 산화물 또는 금속 수산화물, 예를 들어 이산화 티탄, 산화철, 산화 틴-안티몬, 산화 주석, 산화 안티몬, 산화 비스무트, 인산 수산화 구리(dicopper hydroxide phosphate)는 레이저 소결에 사용되는 레이저의 보통의 파장 범위, 즉 근적외선의 영역에서 뛰어난 흡수 능력을 갖는다. 근적외선 범위 내의 레이저 복사에 의한 물질의 조사에 있어서 이 금속 산화물 또는 금속 수산화물들은 굉장히 강하게 가열되고 그리고 가끔은 1000℃보다 훨씬 높은 온도까지 올라갈 수 있다. 따라서 이 물질들은 각 입자 코어에 결합된 레이저 흡수체로서 특히 적합하다.
레이저 소결 과정에 사용되는 금속 분말의 경우, 근적외선 범위 내의 레이저로 조사될 때 복사를 용이하게 흡수하는 이 금속 산화물 또는 금속 수산화물들이 금속 입자 코어의 소결에 사용될 수 있다.
예를 들어 분말 흐름 특성(poor powder flow behavior)을 향상시키기 위해 입자를 부분적으로 다른 물질로 코팅할 경우, 그의 제조에 있어서 물질을 더 적층하기 전에 레이저 흡수 분자가 먼저 금속 입자 코어에 직접적으로 결합되는 것이 보장되어야 한다.
미세 금속 분말은 흔히 좋지 않은 분말 흐름 특성을 보이고, 이는 레이저 소결을 위한 분말 베드 내로의 분말의 공급을 저해할 수 있다. 분말 흐름 특성에 긍정적인 영향을 주고 그리고 그와 동시에 효과적인 레이저 소결을 가능하게 하기 위해서는 입자 크기가 10μm 내지 100μm의 범위 내의 등가 직경 D50이다.
본 발명의 표면 개질 분말은 표면 개질 분말의 분말 베드에서의 레이저 소결, 예를 들어 기질 상에 코팅을 입히는 데에 특히 적합하다. 상기 분말의 입자 코어가 순동으로 이루어졌을 경우, 레이저 소결을 사용하여 전도체 트랙 구조물(conductor track structures) 및/또는 고전도도를 보이는 접촉 영역을 표면 상에 제작할 수 있다.
그리고 코팅 뿐만이 아니라 본 발명에 따른 분말로 구성된 3차원 입체 구조물 또한 선택적 레이저 소결에 의해 제조될 수 있다. 특히 상기 분말은, 예를 들어 순동과 같이, 통상적으로 사용되는 고체 레이저의 근적외선 범위 내의 레이저 복사에 대해 낮은 흡수도 때문에 지금까지는 고려되지 않았던 물질에도 선택적 레이저 소결을 사용하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 표면 개질 분말은 분말을 사용하는 레이저 덧붙임 용접(buildup welding)에도 유용하게 사용될 수 있다.
레이저 덧붙임 용접은 물질의 용해 및 동시 적층(simultaneous application)에 의해, 예를 들어 분말 형태에서도, 작업물(workpiece) 상에 표면이 적층되는 과정이다. 레이저 덧붙임 용접에서는 고출력 레이저, 대개 다이오드 레이저 또는 광섬유 레이저가 열원의 역할을 한다. 상기 과정은 레이어 제작뿐만 아니라 자유형(free-formed)의 2.5D 구조물을 제조하는 데에 사용될 수 있다. 분말을 사용하는 레이저 덧붙임 용접에서는 레이저가 작업물을 가열하고 그리고 국소적으로 용해시킨다. 그와 동시에 분말과 혼합된 불활성 기체가 공급된다. 분말/기체 혼합물은 동축 노즐을 통해 작업 영역(working region)에 공급된다. 가열되는 부분에서는 분말이 용해되고 그리고 작업물에 결합된다. 표면 개질 분말의 사용은 통상적으로 레이저 덧붙임 용접에 의해 처리되기에는 과도하게 낮은 흡수도 때문에 용이하게 용해되지 않는 분말 또한 사용 가능하게 한다.
본 발명은 하기의 첨부된 도면을 참조하여 기술된다.
도 1은 레이저 소결용 표면 개질 분말의 각각의 입자의 도식적인 도면이다.
도 2는 선택적 레이저 소결에서의 도 1의 분말의 사용을 도시하는 도식적인 도면이다.
도 1은 레이저 소결용 표면 개질 분말의 각각의 입자의 도식적인 도면이다.
도 2는 선택적 레이저 소결에서의 도 1의 분말의 사용을 도시하는 도식적인 도면이다.
도 1은 크게 확대된 표면 개질 분말(1)의 몇 개의 입자(2)를 도식적으로 도시한다. 각각의 입자(2)는 약 30μm인 D50의 등가 직경을 갖는 불규칙한 모양이다.
분말(1)의 각 매칭(matching) 입자(2)는 입자 코어(3)로 이루어지고 그의 표면(4)에는 레이저 흡수체(5)가 분자 형태로 부착된다. 레이저 흡수체(5)는 각 입자 코어(3)의 표면(4)의 최소 30%를 차지한다.
입자 코어(3)는 특히 1064nm의 파장을 갖는 입사 레이저 복사에 대해 약 5%의 낮은 흡수도를 갖는 순동으로 이루어진다. 레이저 흡수체(5)는 1064nm의 파장을 갖는 입사 레이저 복사에 대해 굉장히 높은 흡수도를 갖는 금속 수산화물, 예를 들어 인산 수산화 구리이다.
레이저 흡수체(5)는 물리 흡착에 의해 입자 코어(3)의 표면(4)에 결합된다. 이 부착은, 예를 들어, 구리로 구성된 입자 코어(3)와 레이저 흡수체(5)를 혼합하는 과정에 의해 야기될 수 있다.
이 방식으로 표면 개질된 분말(1)은 레이저 소결, 특히 선택적 레이저 소결에 사용된다. 선택적 레이저 소결의 과정은 도 2를 참조하여 하기에 기술된다.
선택적 레이저 소결은 레이저(7)를 사용하는 레이저 소결로 분말(1)로부터 부품(6)을 제조하기 위한 적층 제조 과정이다. 생산할 부품(6)의 기하학적 데이터는 레이어 데이터로서 제시되어야 한다. 레이저 스캐너(10)는 부품(6)에 대한 레이어 데이터에 의해 제어되고 그리고 레이저(7)의 레이저 복사(11)를 분말(1)에 강도 제어(intensity-controlled) 방식으로 한 줄씩 방사한다.
제일 먼저 분말 공급 피스톤(12) 및 롤러(9)를 사용하여 분말(1)이 분말 저장고(13)로부터 제작 플랫폼(8)의 면적 전체에 20μm 내지 40μm의 레이어 두께(분말 베드)를 갖는 레이어로서 적층된다. 그 다음에는 부품(6)의 레이어 윤곽과 일치하도록 부품(6)의 레이어 데이터가 컴퓨터 제어하에 한 레이어씩 분말 베드에서 소결된다. 그 후에 롤러(9)를 사용하여 분말 저장고(13)의 분말(1)로 다음 레이어를 적층하기 위하여 제작 플랫폼(8)은 각 단계 전에 약간 낮춰진다. 그렇지 않으면 닥터블레이드(doctor blade)가 사용될 수 있다.
부품(6)을 한 레이어씩 제작함으로써 언더컷 윤곽 또한 제작하는 것이 가능하다. 제조 중에 부품(6)은 그 주위의 분말(1)에 의해 지지되기 때문에 지지 구조물을 필요로 하지 않는다.
1
분말
2 매칭 입자
3 입자 코어
4 표면
5 레이저 흡수체
6 부품
7 레이저
8 제작 플랫폼
9 롤러
10 레이저 스캐너
11 레이저 복사
12 피스톤
13 분말 저장고
2 매칭 입자
3 입자 코어
4 표면
5 레이저 흡수체
6 부품
7 레이저
8 제작 플랫폼
9 롤러
10 레이저 스캐너
11 레이저 복사
12 피스톤
13 분말 저장고
Claims (18)
- 레이저 소결용 표면 개질 분말(1)로서,
- 입자 코어(3)를 갖는 매칭 입자(matching particles)(2) 및
- 각 입자 코어(3)의 표면(4)에 결합된 레이저 흡수체(5)를 포함하고,
상기 레이저 흡수체(5)가 각 입자 코어(3)의 표면(4)의 최소 25%를 차지하고 그리고 입자 코어(3)에 비해 레이저 소결을 위한 레이저 복사(11)에 대해 더 높은 흡수도(degree of absorption)를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제1항에 있어서, 상기 레이저 흡수체(5)의 흡수도 및 상기 입자 코어(3)의 흡수도의 차이가 상기 입자 코어(3)의 흡수도의 최소 10%인 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저 흡수체(5)가 분자 형태인 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 흡수체(5)가 흡착에 의해 각 입자 코어(3)의 표면(4)에 결합된 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제4항에 있어서, 상기 레이저 흡수체(5)가 물리 흡착에 의해 각 입자 코어(3)의 표면(4)에 결합된 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 흡수체(5)가 화학 결합에 의해 각 입자 코어(3)의 표면(4)에 결합된 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 복사(11)가 근적외선 범위 내의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제7항에 있어서, 상기 파장이 1064nm인 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 코어(3)가 금속 또는 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 코어(3)가 순동으로 이루어지고 그리고 상기 레이저 흡수체(5)의 흡수도가 최소 20%인 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 코어(3)가 유리 또는 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상이한 물질로 구성된 상기 레이저 흡수체(5)가 각 입자 코어(3)의 표면(4)에 결합된 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 흡수체(5)가 금속 산화물 또는 금속 수산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 입자 크기가 10μm 내지 100μm의 범위 내의 등가 직경 D50을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1).
- 제1항 내지 제14항 중 하나 이상의 항에 있어서, 분말 베드에서의 표면 개질 분말(1)의 레이저 소결을 위한 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1)의 용도.
- 제1항 내지 제14항 중 하나 이상의 항에 있어서, 선택적 레이저 소결로 3차원 입체 구조물(6)을 제조하기 위한 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1)의 용도.
- 제15항 또는 제16항에 있어서, 레이저 소결에 Nd:YAG 레이저 또는 광섬유 레이저(7)가 사용되는 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1)의 용도.
- 제1항 내지 제14항 중 하나 이상의 항에 있어서, 분말을 사용하는 레이저 덧붙임 용접(buildup welding)을 위한 것을 특징으로 하는 표면 개질 분말(1)의 용도.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |