KR20220072306A - 아크 용접방식을 갖는 3d 프린터의 적층물 냉각 장치 및 이를 이용한 냉각 방법 - Google Patents

아크 용접방식을 갖는 3d 프린터의 적층물 냉각 장치 및 이를 이용한 냉각 방법 Download PDF

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Abstract

제안기술은 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아크 열원을 이용하는 3D 프린터의 적층물 제작 시 적층물을 냉각시키기 위한 장치 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 발명이다.

Description

아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치 및 이를 이용한 냉각 방법{3D printer stack cooling system with arc welding method and cooling method using thereof}
제안기술은 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아크 열원을 이용하는 3D 프린터의 적층물 제작 시 적층물을 냉각시키기 위한 장치 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 발명이다.
일반적으로, 중대물 선박부품의 제조는 사형주조 공정을 통해 제작되었으나 복잡한 주형 내부 형상 설계, 중자조립 및 높은 주조 결함 문제로 인해 적층제조기술(Additive Manufacturing 3D Printing) 기술을 활용한 제조 공법으로 대체하기 위한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.
3D Printing 기술은 설계 데이터 기반의 3차원 형상을 제작하기 위하여 CAD/CAM(Computer aided design/Computer aided manufacturing) System을 활용한 Digital data화 된 3차원 형상을 2차원 단면으로 한 층씩 적층시켜 최종 구조물을 제작하는 제조기법이다. 최근에 활발히 연구되고 있는 3D Printing 기술은 원재료의 소모가 적고 제품을 신속하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
3D 금속 프린팅 시스템을 활용한 중대형 선박부품의 제작은 다양한 금속 적층 방식 중 높은 용착량으로 대면적층 효과가 높고, 적층 챔버를 사용하지 않아 대형구조물의 자율형상제조에 유리한 아크 열원 와이어 금속 3D 적층 공정(Wire Arc Additive Manufacturing)이 적용되고 있다.
도 1에는 종래의 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 제작 시 공정 불량에 의한 결과물이 도시되어 있다.
아크 열원을 이용한 적층물 제작 시 높은 아크 열에 의해 적층부에 충분한 냉각이 수반되지 않으면 적층물이 흘러내리는 현상에 의해 용접 토치와 용접부의 Contact to Work Distance가 변경되어 일정한 형태의 비드를 얻기 어려운 문제가 발생하게 된다.
한국등록특허 제10-1825319호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 아크 열원을 이용하는 3D 프린터의 적층물 제작 시 특정 온도까지 빠른 시간에 적층물을 냉각시킬 수 있는 냉각 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치에 있어서,
적층물의 온도를 센싱하는 온도 센싱 부재; 및
적층물을 냉각시키는 냉각 부재;를 포함하며,
온도 센싱 부재와 냉각 부재는 서로 연동되어 작동하는 것을 특징으로 한다.
냉각 부재는 공기(Air) 또는 불활성 가스를 통해 적층물의 용융부를 일정 온도까지 응고시키는 것을 특징으로 한다.
온도 센싱 부재는 적층물의 온도가 적층물의 변형 및 붕괴현상이 발생하는 기 정해진 온도 이상이 되면 냉각 부재가 작동하도록 신호를 보내는 것을 특징으로 한다.
온도 센싱 부재는 적외선 센서(infrared sensor)인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치를 이용한 냉각 방법에 있어서,
적층물을 냉각시키기 위한 최적의 온도 및 냉각 시간을 설정하는 선행 테스트 단계;
적층물의 용접 경로 설정 단계;
적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계;
온도 센싱 부재를 이용하여 적층물의 용융부 온도를 센싱하는 단계;를 포함하며,
온도 센싱 부재를 이용하여 적층물의 용융부 온도를 센싱하는 단계에서 용융부의 온도가 일정 온도 이상인 경우,
냉각 부재를 이용하여 용융부를 일정 온도까지 응고시키는 단계가 진행되는 것을 특징으로 한다.
적층물을 냉각시키기 위한 최적의 온도 및 냉각 시간을 설정하는 선행 테스트 단계에서,
최적의 온도는 적층물 용접 시 적층물에 적층물의 변형 및 붕괴현상이 발생하지 않는 온도인 것을 특징으로 한다.
적층물의 용접 경로 설정 단계에서, 용접은 지그재그 방향으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계에서, 동일 평면상에 용접되는 패스(pass)간 간격은 6.3mm 초과, 6.7mm 미만인 것을 특징으로 한다.
적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계에서, 용접을 위한 와이어는 알루미늄, 니켈, 철, 망간, 구리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
와이어에서 알루미늄은 8.5~9.5 중량%, 니켈은 4.0~5.5 중량%, 철은 3.0~5.0 중량%, 망간은 0.6~3.5 중량% 포함되는 것을 특징으로 한다.
냉각 부재를 이용하여 용융부를 일정 온도까지 응고시키는 단계에서,
냉각 부재는 공기(Air) 또는 불활성 가스를 통해 용융부를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 적층물을 빠른 시간 안에 특정 온도로 냉각시킴으로써 생산속도 및 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 제작 시 공정 불량에 의한 결과물.
도 2는 본 발명에 따른 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치의 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치를 이용한 냉각 방법의 공정 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 용접 시 한 방향 적층과 지그재그 적층 시 비교 도면.
도 5는 용접 프로세스 모드인 CMT 모드에 의한 비드 단면 형상.
도 6은 용접 프로세스 모드에 따른 비드 형상 및 적층성 비교 도면.
도 7은 본 발명에 따른 용접 시 패스 간 간격 조건 도출 비교 도면.
도 8은 본 발명에 따른 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치 및 이를 이용한 냉각 방법을 이용하여 제작된 결과물.
본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아크 열원을 이용하는 3D 프린터의 적층물 제작 시 적층물을 냉각시키기 위한 장치 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 발명이다.
도 2에는 본 발명에 따른 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치의 개념도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명에 따른 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치를 이용한 냉각 방법의 공정 순서도가 도시되어 있다.
본 발명의 냉각장치는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터(12)를 이용하여 적층되는 적층물의 온도를 센싱하는 온도 센싱 부재(4)와, 상기 적층물을 냉각시키는 냉각 부재(2)를 포함하여 구성된다.
상기 온도 센싱 부재(4)와 상기 냉각 부재(2)는 서로 연동되어 작동하는 것으로, 서로 직접 신호를 주고 받거나, 제어부(6)를 통해 신호를 주고 받게 된다.
상기 온도 센싱 부재(4)는 상기 적층물 제작 시 상기 적층물의 변형 및 붕괴현상이 발생하지 않는 온도를 특정화하여 센싱하게 된다.
즉, 상기 온도 센싱 부재(4)는 상기 적층물 제작 시 상기 용융부의 온도를 센싱하여 상기 적층물의 온도가 적층물의 변형 및 붕괴현상이 발생하는 기 정해진 온도 이상이 되면 상기 냉각 부재(2)가 작동하도록 제어부(6)에 신호를 보내거나 상기 냉각부재에 직접 신호를 보내게 된다.
상기 온도 센싱 부재(4)로는 적외선 센서(infrared sensor)가 적용될 수 있으며, 상기 용융부의 온도를 센싱할 수 있는 센서라면 어떠한 센서라도 적용 가능하다.
상기 냉각부재는 공기(Air) 또는 불활성 가스 등의 냉각 가스를 상기 용융부에 분사하여 상기 용융부를 일정 온도까지 응고시키게 된다.
상기 냉각부재로는 팬(fan) 또는 노즐(nozzle) 등이 적용될 수 있으며, 상기 용융부에 상기 냉각 가스를 분사할 수 있다면 어떠한 장치라도 적용 가능하다.
상기 3D 프린터(12)의 일측에는 아크를 대기로부터 보호하기 위한 실드가스(shielding gas)(10)를 공급하는 용접기계(8)가 배치된다.
하기에서는 상기 냉각 장치를 이용한 적층물의 냉각 방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 냉각 방법은,
아크 용접방식을 갖는 3D 프린터(12)를 이용한 적층물 제작 시 상기 적층물을 냉각시키기 위한 최적의 온도 및 냉각 시간을 설정하는 선행 테스트 단계;
상기 적층물의 용접 경로 설정 단계;
상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계; 및
온도 센싱 부재(4)를 이용하여 상기 적층물의 용융부 온도를 센싱하는 단계;를 포함하여 진행된다.
상기 적층물을 냉각시키기 위한 최적의 온도 및 냉각 시간을 설정하는 선행 테스트 단계에서 상기 최적의 온도는 상기 적층물의 용접 시 상기 적층물에 적층물의 변형 및 붕괴현상이 발생하지 않는 온도가 된다.
상기 선행 테스트 단계를 반복 진행하면서 상기 용융부에 적층물의 변형 및 붕괴현상이 발생하는 온도 범위를 얻게 된다.
상기 선행 테스트 단계가 완료되면, 상기 적층물의 용접 경로 설정 단계가 진행된다.
도 4에는 본 발명에 따른 용접 시 한 방향 적층과 지그재그 적층 시 비교 도면이 도시되어 있다.
상기 적층물의 용접 경로 설정 단계에서 상기 용접은 지그재그 방향으로 적층된다.
도면에 도시된 바와 같이, 한 방향 적층의 경우 적층물의 일측이 하방으로 쏠리는 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 서로 인접한 레이어(layer) 적층 시 어느 하나의 레이어가 왼쪽에서 오른쪽으로 향하여 적층 경로를 갖는다면, 상기 어느 하나의 레이어와 인접하여 적층되는 다른 하나의 레이어는 오른쪽에서 왼쪽으로 향하는 적층 경로를 갖게 된다.
상기 적층물의 용접 경로 설정 단계에서 상기 적층물의 용접 경로가 설정되면, 상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계가 진행된다.
상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계에서는 와이어가 공급되어 아크 용접이 진행된다.
상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계에서 상기 용접은 1pass 또는 1layer 중 어느 하나일 수 있다.
도 5에는 용접 프로세스 모드인 CMT 모드에 의한 비드 단면 형상이 도시되어 있고, 도 6에는 용접 프로세스 모드에 따른 비드 형상 및 적층성 비교 도면이 도시되어 있다.
본 발명에서는 용접 프로세스 모드 중 CMT(cold metal transfer) 모드를 적용하여 용접하게 된다. 도 5에 도시된 CMT 모드는 와이어의 움직임을 디지털 프로세스로 초당 90초 이상 제어하여 낮은 전류에서도 용적 이행하여 용접하는 저입열 용접기법으로, CMT 모드를 이용한 적층 시 도 6에 도시된 바와 같은 적층 형상을 얻을 수 있다.
도 7에는 본 발명에 따른 용접 시 패스 간 간격 조건 도출 비교 도면이 도시되어 있다.
상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계에서 동일 평면상에 용접되는 패스(pass)간 간격은 6.5mm가 된다. 즉, 상기 CMT 모드로 용접 시 어느 하나의 비드의 상하방향 중심선과 상기 어느 하나의 비드의 일측에 용접되는 다른 하나의 비드의 상하방향 중심선은 6.3mm 초과, 6.7mm 미만의 간격을 갖게 된다. 특히 6.5mm의 간격을 갖는 경우 목표로 하는 적층 프로파일을 얻을 수 있다.
이때, 용접되는 상기 와이어의 직경은 1.2mm이며, 상기 와이어는 알루미늄, 니켈, 철, 망간, 구리를 포함하여 구성된다.
상기 알루미늄은 8.5~9.5 중량%, 상기 니켈은 4.0~5.5 중량%, 상기 철은 3.0~5.0 중량%, 상기 망간은 0.6~3.5 중량% 및 나머지의 구리로 이루어질 수 있다.
상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계 진행 시, 상기 와이어를 공급하는 와이어 공급 노즐과 상기 적층물이 형성되는 기판의 각도는 90도인 것으로, 상기 와이어의 공급 각도는 90도가 된다.
이다. 보호가스는 100% 아르곤(Ar)이며, 20L/min의 유량으로 유지된다. 와이어 송급 속도(wire feeding speed)는 8.0m/min이고, 전류(I)=198A, 전압(V)=20.3V이며, 용접 속도는 0.3m/min이고, 기판과 토치 사이의 간격(contact to work distance)은 15mm가 된다.
상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계에서 상기의 조건으로 상기 적층물을 제작하기 위한 상기 아크 용접이 진행되면, 온도 센싱 부재(4)를 이용하여 상기 적층물의 용융부 온도를 센싱하는 단계가 진행된다.
상기 온도 센싱 부재(4)를 이용하여 상기 적층물의 용융부 온도를 센싱하는 단계에서는 상기 적층물의 온도가 기 정해진 온도 이상이 되면 상기 냉각 부재(2)가 작동하도록 상기 제어부(6)에 신호를 보내거나 상기 냉각 부재(2)에 직접 신호를 보내게 된다.
상기 기 정해진 온도는 상기 선행 테스트 단계에서 얻어진 상기 적층물에 용적층물의 변형 및 붕괴현상이 발생하지 않는 온도가 된다.
상기 온도 센싱 부재(4)를 이용하여 상기 적층물의 용융부 온도를 센싱하는 단계에서 센싱된 상기 용융부의 온도가 일정 온도 이상인 경우, 상기 냉각 부재(2)를 이용하여 상기 용융부를 일정 온도까지 응고시키는 단계가 진행된다.
상기 냉각 부재(2)를 이용하여 상기 용융부를 일정 온도까지 응고시키는 단계에서 상기 냉각 부재(2)는 상기 용융부를 향해 상기 냉각 가스를 분사시키게 된다.
상기 용융부를 일정 온도까지 응고시키는 단계에서 상기 일정 온도는 200℃ 미만인 것이 바람직하다.
상기 냉각 부재(2)를 이용하여 상기 용융부를 일정 온도까지 응고시키는 단계 이후 상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계 및 상기 온도 센싱 부재(4)를 이용하여 상기 적층물의 용융부 온도를 센싱하는 단계가 반복 진행된다.
상기 온도 센싱 부재(4)를 이용하여 상기 적층물의 용융부 온도를 센싱하는 단계에서 센싱된 상기 용융부의 온도가 일정 온도 이하인 경우, 상기 냉각 부재(2)를 이용하여 상기 용융부를 일정 온도까지 응고시키는 단계는 진행되지 않고, 상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계와 온도 센싱 부재(4)를 이용하여 상기 적층물의 용융부 온도를 센싱하는 단계가 반복 진행된다.
도 8에는 본 발명에 따른 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치 및 이를 이용한 냉각 방법을 이용하여 제작된 결과물이 도시되어 있다.
도 8을 참고하여 보면, 본 발명의 냉각 장치 및 냉각 방법을 적용하여 제조된 적층물의 경우, 도 1과 비교하여 적층 시 적층물의 변형 및 붕괴현상이 발생하지 않아 균일한 상태로 적층되는 것을 확인할 수 있다. 이때, 1레이어(layer) 적층 또는 1패스(pass) 후 냉각 온도가 200℃ 미만이어야 적층물의 변형 및 붕괴현상이 발생하지 않는다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
2 : 냉각 부재
4 : 온도 센싱 부재
6 : 제어부
8 : 용접기계(welding machine)
10 : 실드가스(shielding gas)
12 : 3D 프린터

Claims (11)

  1. 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터를 이용한 적층물 제작 시 상기 적층물을 냉각시키기 위한 냉각 장치에 있어서,
    상기 적층물의 온도를 센싱하는 온도 센싱 부재; 및
    상기 적층물을 냉각시키는 냉각 부재;를 포함하며,
    상기 온도 센싱 부재와 상기 냉각 부재는 서로 연동되어 작동하는 것
    을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 부재는 공기(Air) 또는 불활성 가스를 통해 상기 적층물의 용융부를 일정 온도까지 응고시키는 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센싱 부재는 상기 적층물의 온도가 적층물의 변형 및 붕괴현상이 발생하는 기 정해진 온도 이상이 되면 상기 냉각 부재가 작동하도록 신호를 보내는 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센싱 부재는 적외선 센서(infrared sensor)인 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 장치를 이용한 상기 적층물의 냉각 방법에 있어서,
    상기 적층물을 냉각시키기 위한 최적의 온도 및 냉각 시간을 설정하는 선행 테스트 단계;
    상기 적층물의 용접 경로 설정 단계;
    상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계;
    온도 센싱 부재를 이용하여 상기 적층물의 용융부 온도를 센싱하는 단계;를 포함하며,
    상기 온도 센싱 부재를 이용하여 상기 적층물의 용융부 온도를 센싱하는 단계에서 상기 용융부의 온도가 일정 온도 이상인 경우,
    냉각 부재를 이용하여 상기 용융부를 일정 온도까지 응고시키는 단계가 진행되는 것
    을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적층물을 냉각시키기 위한 최적의 온도 및 냉각 시간을 설정하는 선행 테스트 단계에서,
    상기 최적의 온도는 상기 적층물 용접 시 상기 적층물에 적층물의 변형 및 붕괴현상이 발생하지 않는 온도인 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 적층물의 용접 경로 설정 단계에서,
    상기 용접은 지그재그 방향으로 적층되는 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계에서.
    동일 평면상에 용접되는 패스(pass)간 간격은 6.3mm 초과, 6.7mm 미만인 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적층물을 형성하기 위한 용접이 진행되는 단계에서.
    상기 용접을 위한 와이어는 알루미늄, 니켈, 철, 망간, 구리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 와이어에서 상기 알루미늄은 8.5~9.5 중량%, 상기 니켈은 4.0~5.5 중량%, 상기 철은 3.0~5.0 중량%, 상기 망간은 0.6~3.5 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 냉각 부재를 이용하여 상기 용융부를 일정 온도까지 응고시키는 단계에서,
    상기 냉각 부재는 공기(Air) 또는 불활성 가스를 통해 상기 용융부를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 아크 용접방식을 갖는 3D 프린터의 적층물 냉각 방법.
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