KR20230134852A - 3차원 프린팅용 재료 및 이를 이용하는 3차원 프린터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저를 사용하는 3차원 프린팅용 재료로서, 자성 재료를 포함하는 코어; 및 코팅 재료를 포함하며, 상기 코어의 표면을 피복하는 쉘을 포함하고, 상기 코팅 재료는 미리 정해진 파장 범위에서 상기 자성 재료보다 상기 레이저 흡수율이 더 높은 3차원 프린팅용 재료, 상기 3차원 프린팅용 재료를 사용하는 3차원 프린터와 3차원 프린트 방법 및 이에 따라 제조되는 자성체에 관한 것이다.
Description
본 발명은 레이저를 사용하는 3차원 프린팅용 재료에 관한 것으로, 보다 구체적으로 3차원 프린팅용 재료, 이를 이용하는 3차원 프린터와 프린트 방법 및 이를 이용하여 제조한 자성체에 관한 것이다.
3차원 프린트는 미리 설계된 3차원 모델을 바탕으로 플라스틱, 액체, 분말 입자 등의 재료를 적층하여 3차원 물체를 구성하는 것으로, 그 정밀도와 반복성이 증가하면서 프로토타입의 신속한 조형부터 실제 제품의 대량 생산까지 가능하게 되었다.
최근에는 전기 자동차, 로봇, 전자 제품에 사용되는 부품이 소량화, 경량화 되면서, 다양한 형상의 고성능 모터에 대한 수요가 증가하고 있다. 모터는 자성 재료를 사용하는데, 연자성 재료의 경우 전기 강판을 적층하여 2차원 형태로 제조하거나, 연자성 분말을 금형에 장입 후 가압 성형하여 연자성 코어의 형태로 제조하며, 경자성 재료는 알니코(AlNiCo) 주조 자석을 제외하고는 자성 분말을 이용한 분말야금법을 통한 소결자석이나 본드자석의 형태로 제조한다. 그러나, 종래의 방법으로 제조한 자석은 이를 이용하여 제조할 수 있는 모터의 구조 설계를 제한하여 모터의 성능 및 효율 향상을 제약하고, 모터의 형상 또한 제한되어 양산성이 낮고 금형 제작에 따른 비용이 증가한다는 문제점이 있었다.
이에 따라 자성 재료를 이용한 3차원 프린트를 통해 다양한 형상의 제품을 만들기 위한 시도가 이루어지고 있으나, 자성 재료의 보자력, 철손(iron loss) 및 기계적 성질로 인해 3차원 프린터를 이용한 자성체의 제조에는 한계가 있었다. 하기 특허문헌은 압분 성형을 통해 높은 투자율을 갖는 자심을 얻기 위한 자성 재료 분말에 관한 것으로, 자성 재료 분말과 열경화성 수지의 혼합물을 가열 및 경화하여 자심을 제조하였다. 그러나, 자성 재료의 경우, 용융 및 경화 과정을 거치게 되면 자기적 특성이 저하된다.
따라서, 자성 재료의 자기적 특성 저하를 방지하면서도, 3차원 프린트를 통해 원하는 형상으로 양산하기에 적합한 3차원 프린팅용 재료에 대한 연구가 계속되고 있다.
N.K.Tolochko et. al., Asorptance of powder materials suitable for laser sintering, Rapid Prototyp. J. Vol. 6 (2000) 155-161
본 발명의 목적은 레이저를 사용하는 3차원 프린트에 사용하기 위한 재료로서, 자성 재료의 용융을 방지하여 자성 재료의 자기적 특성 저하를 방지하며 형상 자유도가 우수한 3차원 프린팅용 재료를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 3차원 프린팅용 재료를 사용하는 3차원 프린터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 3차원 프린팅용 재료를 사용하는 3차원 프린트 방법과 이에 따라 제조되는 자성체를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 3차원 프린팅용 재료는, 레이저를 사용하는 3차원 프린트에 사용하기 위한 것으로, 자성 재료를 포함하는 코어, 및 코팅 재료를 포함하며, 상기 코어의 표면을 피복하는 쉘을 포함하고, 상기 코팅 재료는 미리 정해진 파장 범위에서 상기 자성 재료보다 상기 레이저 흡수율이 더 높은 것이다.
구체적으로, 상기 코팅 재료는 비철금속 및 비철금속의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
구체적으로, 상기 자성 재료는 Fe, FeAl, FeSiAl, FeSi, FeSiAl, FeSiCr, FeCr, FeCo, FeNi 및 FeNiP로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 연자성 재료이고, 상기 코팅 재료는 Al, Si, Ti, Cu, Zr, Sn 및 Ba로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물일 수 있다.
구체적으로, 상기 코팅 재료의 함량은 상기 3차원 프린팅용 재료의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%일 수 있다.
구체적으로, 상기 자성 재료는 AlNiCo, FeCrCo, FeCoV, CuNiFe, CuNiCo, PtCo, 바륨페라이트, 스트론튬 페라이트, SmCo5, SmCo17, NdFeB, NdFeN 및 SmFeN으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 경자성 재료일 수 있다.
구체적으로, 상기 코팅 재료의 함량은 상기 3차원 프린팅용 재료의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%일 수 있다.
구체적으로, 상기 3차원 프린팅용 재료는 제2 코팅 재료를 포함하며, 상기 쉘의 표면을 피복하는 제2 쉘을 더 포함하고, 상기 제2 코팅 재료는 미리 정해진 파장 범위에서 상기 자성 재료보다 상기 레이저 흡수율이 더 높고, 상기 코팅 재료와 상이한 상기 레이저 흡수율을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 3차원 프린터는, 자성 재료를 포함하는 코어 및 코팅 재료를 포함하며, 상기 코어의 표면을 피복하는 쉘을 포함하고, 상기 코팅 재료가 미리 정해진 파장 범위에서 상기 자성 재료보다 레이저 흡수율이 더 높은 3차원 프린팅용 재료가 배치되는 베드부, 및 상기 3차원 프린팅용 재료의 미리 정해진 영역에 상기 파장 범위의 레이저를 조사하는 레이저부를 포함하는 것이다.
구체적으로, 상기 레이저부는, 레이저를 조사하는 하나 이상의 레이저 조사기, 및 상기 레이저 조사기의 구동을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저부는 서로 다른 파장 영역의 레이저를 조사하는 복수 개의 레이저 조사기를 포함하며, 상기 제어기는 복수 개의 레이저 조사기 중 어느 하나를 구동하여 하나의 레이저를 조사할 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저부는 서로 다른 파장 영역의 레이저를 조사하는 복수 개의 레이저 조사기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 복수 개의 레이저 조사기 중 둘 이상을 구동하여 레이저를 중첩하여 조사할 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저부는 상기 레이저 조사기에서 조사되는 레이저의 파장을 변환하는 파장 변환 모듈을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저 조사기는 상기 레이저 조사기에서 조사되는 레이저의 파장을 변환하는 파장 변환 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 3차원 프린트 방법은, 자성 재료를 포함하는 코어 및 코팅 재료를 포함하며, 상기 코어의 표면을 피복하는 쉘을 포함하고, 상기 코팅 재료가 미리 정해진 파장 범위에서 상기 자성 재료보다 레이저 흡수율이 더 높은 3차원 프린팅용 재료를 준비하는 단계, 및 상기 파장 범위를 갖는 레이저를 상기 3차원 프린팅용 재료에 조사하여 상기 코팅 재료를 용융시켜 레이어를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 측면은 상기 3차원 프린트 방법으로 제조되는 자성체이다.
본 발명의 또 다른 일 측면은 상기 자성체를 포함하는 모터이다.
본 발명에 따른 3차원 프린팅용 재료는 레이저를 통한 3차원 프린팅에 사용되며, 형상 자유도가 우수한 자성체 제조에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 3차원 프린터는 조사하는 레이저의 파장을 조절하여 상기 3차원 프린팅용 재료에서 코팅 재료가 포함된 쉘 만을 선택적으로 용융 시킴으로써, 자성 재료의 용융에 따른 자기적 특성의 저하를 방지할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅용 재료의 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3차원 프린팅용 재료의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅용 재료를 이용하여 3차원 프린트를 하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2b는 도 2a에 따라 레이저를 프린팅용 재료에 조사한 이후 레이어가 형성된 모습을 나타낸 모식도이다.
도 3은 레이저의 종류에 따른 파장의 범위와 이에 따른 재료의 흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 프린트를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 프린트의 레이저부를 나타낸 모식도이다.
도 6a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 프린트의 레이저부를 나타낸 모식도이다.
도 6b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 프린트의 레이저부를 나타낸 모식도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3차원 프린팅용 재료의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅용 재료를 이용하여 3차원 프린트를 하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2b는 도 2a에 따라 레이저를 프린팅용 재료에 조사한 이후 레이어가 형성된 모습을 나타낸 모식도이다.
도 3은 레이저의 종류에 따른 파장의 범위와 이에 따른 재료의 흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 프린트를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 프린트의 레이저부를 나타낸 모식도이다.
도 6a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 프린트의 레이저부를 나타낸 모식도이다.
도 6b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 프린트의 레이저부를 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
본 명세서에 사용된 "포함한다"는 용어는 본 발명에 유용한 재료, 조성물, 장치, 및 방법들을 나열할 때 사용되며 그 나열된 예에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 "3차원 프린트"는 프린팅용 재료를 배치한 다음 설계에 따라 미리 정해진 영역을 용융 및 경화시켜 레이어를 형성하고, 상기 레이어 상에 다시 프린팅용 재료를 배치하고 설계에 따라 용융 및 경화하는 과정을 거쳐 레이어들의 적층 구조를 형성하는 방식으로 상기 설계에 따른 입체적 형상을 제작하는 것을 의미한다. 보다 구체적으로, 3차원 프린트는 분말 등의 재료를 베드 상에 배치한 다음 상기 재료의 용융을 통해 원하는 형상을 제조하는 분말 베드 용융 방식(Powder Bed Fusion; PBF)일 수 있으며, 바람직하게는 레이저를 상기 재료에 조사하여 용융시키는 레이저 방식일 수 있으며, 바람직하게는 선택적 레이저 소결 방식(Selective Laser Sintering; SLS)일 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해서 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하며, 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1a 및 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅용 재료(1, 2)의 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 3차원 프린팅용 재료(1)는 자성 재료를 포함하는 코어(10)와 코팅 재료를 포함하며, 상기 코어(10)의 표면을 피복하는 쉘(20)을 포함할 수 있다. 코어(10)의 표면을 피복하는 쉘(20)의 형상은 한정되지 않으나, 코어(10)는 구형의 입자인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 3차원용 프린트 재료(1)는 코어-쉘 구조를 갖는 구형의 입자일 수 있다.
도 1b를 참조하면, 3차원 프린팅용 재료(2)는 상기 3차원 프린팅용 재료(1)의 표면에 제2 쉘(30)이 추가로 피복된 구조를 가질 수 있다. 쉘(20)은 코팅 재료를 포함하고, 제2 쉘(30)은 상기 코팅 재료와는 상이한 제2 코팅 재료를 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 후술할 레이저의 파장 영역에 대해 상이한 흡수율을 갖는 것일 수 있다.
코어(10)와 쉘(20)은 코어(10)의 자성 재료와 쉘(20)의 코팅 재료가 물리적인 결합을 통해 결합된 구조일 수 있다. 쉘(20)과 제2 쉘(30) 또한 쉘(20)의 코팅 재료와 제2 쉘(30)의 제2 코팅 재료가 물리적인 결합을 통해 결합된 구조일 수 있다. 예를 들어, 구형의 코어(10)는 용융된 상태의 코팅 재료에 침지된 후 건조하거나 코어(10)에 코팅 재료를 스프레이 분사하는 단계를 통해 코어-쉘 구조를 형성할 수 있다. 상기 코어-쉘 구조에 추가적인 코팅 재료를 선택하여 쉘(20)의 형성 방법과 동일 또는 상이한 방법으로 상기 쉘(20)을 피복하는 제2 쉘(20)을 형성할 수 있다. 도시하지 않았으나, 제2 쉘(20)에의 표면을 추가적인 쉘로 더 코팅하여 코어-다중 쉘 구조를 형성할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
분말 베드 용융 방식의 3차원 프린팅용 재료(1, 2)는 직경이 20 내지 50㎛일 수 있으며, 쉘(20) 또는 쉘(20)과 제2 쉘(30)의 두께는 0.01 내지 1㎛일 수 있다. 쉘(20) 또는 쉘(20)과 제2 쉘(30)의 두께가 0.01㎛ 미만인 경우, 레이저에 의한 코어(10)의 손실이 급격히 증가하게 되며, 쉘(20) 또는 쉘(20)과 제2 쉘(30)의 두께가 1㎛를 초과하는 경우, 복수 개의 코어(10) 간의 배치가 불균일해지면서 제조되는 자성체의 자기적 특성이 불균일하게 나타날 수 있다.
코어(10)는 자성 재료로 연자성 재료 또는 경자성 재료를 포함할 수 있다.
상기 연자성 재료는 철(Fe), 철-알루미늄 합금(FeAl), 철-규소-알루미늄 합금(FeSiAl), 철-규소 합금(FeSi), 철-규소-크롬 합금(FeSiCr), 철-크롬 합금(FeCr), 철-코발트 합금(FeCo), 철-니켈 합금(FeNi) 및 철-니켈-인 합금(FeNiP)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 경자성 재료는 알루미늄-니켈-코발트 합금(AlNiCo), 철-크롬-코발트 합금(FeCrCo), 철-코발트-바나듐 합금(FeCoV), 구리-니켈-철 합금(CuNiFe), 백금-코발트 합금(PtCo), 바륨 페라이트(Ba ferrite), 스트론튬 페라이트(Sr ferrite), 사마륨-코발트 합금(SmCo5, SmCo17), 네오디뮴-철-붕소 합금(NdFeB), 네오디뮴-철-질소 합금(NdFeN) 및 사마륨-철-질소 합금(SmFeN)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
쉘(20) 및 제2 쉘(30)은 각각 코팅 재료를 포함하며, 코팅 재료는 비철금속 및 비철금속의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 무기 소재일 수 있다. 상기 코팅 재료로 사용되는 비철금속은 알루미늄(Al), 규소(Si), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 주석(Sn) 및 바륨(Ba)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 비철금속의 산화물은, 예를 들어 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2), 산화구리(CuO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화주석(SnO), 산화바륨(BaO)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 쉘(20) 및 제2 쉘(30)은 수지 등의 접착제, 유기 바인더를 포함하지 않아 3차원 프린팅용 재료(1, 2)로 제작 가능한 자성체에 대한 형상의 제약을 감소시키면서, 잔류 유기물에 의한 최종 자성체의 자기적 특성 저하를 방지할 수 있다.
코어(10)가 자성 재료로 연자성 재료를 사용하는 경우, 쉘(20)의 코팅 재료는 전술한 비철금속의 산화물을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 코팅 재료의 함량은 3차원 프린팅용 재료(1)의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%일 수 있다. 상기 함량 범위 내에서 비철금속 산화물은 코어(10) 표면을 피복하여 절연막을 형성하게 되며, 후술할 레이저 조사시에 발생하는 코어(10)의 손실을 최소화할 수 있게 된다. 보다 바람직하게는, 상기 코팅 재료의 함량은 3차원 프린팅용 재료(1)의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 5 중량%일 수 있다.
코어(10)가 자성 재료로 경자성 재료를 사용하는 경우, 상기 코팅 재료의 함량은 3차원 프린팅용 재료(1)의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%일 수 있다. 상기 코팅 재료의 함량이 0.1 중량% 미만이면 레이저 조사 과정에서 코팅 재료가 증발하여 코어(10)의 손실을 유발하게 되며, 상기 코팅 재료의 함량이 20 중량%를 초과하면 자성 재료가 차폐되어 최종적으로 제조되는 자성체의 자성 특성이 저하될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 코팅 재료의 함량은 3차원 프린팅용 재료(1)의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 10 중량%일 수 있다.
도 2a는 전술한 실시예에 따른 3차원 프린팅용 재료(1)를 준비하고, 레이저(L1)를 조사하여 3차원 프린트를 하는 과정을 나타낸 모식도이며, 도 2b는 도 2a에 따라 레이저를 프린팅용 재료에 조사한 이후 레이어가 형성된 모습을 나타낸 모식도이다.
본 발명에 따른 3차원 프린팅용 재료(1)에서, 쉘(20)의 코팅 재료는 미리 정해진 레이저의 파장 범위에서 코어(10)의 자성 재료보다 상기 레이저 흡수율이 더 높은 것일 수 있다. 또한, 상기 자성 재료는 상기 파장 범위에서 상기 레이저 흡수율보다 레이저 반사율이 더 높은 것일 수 있다. 후술할 3차원 프린터(100)는 쉘(20)의 코팅 재료를 용융시킬 수 있는 파장 범위의 레이저(L1)를 조사할 수 있다.
본 발명에서 사용할 수 있는 레이저(L1)는 ArF, KrF, Nd:YAG, Nd:YVO4, Yb:Fiber 또는 CO2일 수 있으며, 레이저(L1)는 3차원 프린팅용 재료(1)의 표면에서 반사되거나, 코어(10)와 쉘(20)의 계면에서 반사될 수 있으나, 적어도 일부는 3차원 프린팅용 재료(1)의 쉘(20)에 흡수되어 코팅 재료를 적어도 부분적으로 용융시킬 수 있다. 또는, 레이저(L1)는 3차원 프린팅용 재료(1)의 표면에서 반사되거나, 코어(10)와 쉘(20)의 계면에서 반사될 수 있으나, 적어도 일부는 쉘(20)의 코팅 재료 또는 제2 쉘(30)의 제2 코팅 재료를 적어도 부분적으로 용융시킬 수 있다.
예를 들어, 3차원 프린팅용 재료(1)는 연자성 재료인 철(Fe)을 코어(10)로 포함하고, 코팅 재료로는 산화규소(SiO2)를 쉘(20)에 포함할 수 있다. 철은 CO2 레이저(λ=10.6㎛)에 대한 흡수율(Absorptance)이 대략 0.45이고, 산화규소는 CO2 레이저에 대한 흡수율이 대략 0.96으로, 상기 코팅 재료가 상기 자성 재료보다 상기 레이저의 파장 범위에 대한 흡수율이 높아 상기 코팅 재료가 조사되는 레이저를 대부분 흡수하여 용융될 수 있다.
예를 들어, 3차원 프린팅용 재료(2)는 연자성 재료인 철(Fe)을 코어(10)로 포함하고, 코팅 재료로는 산화구리(CuO)를 쉘(20)에 포함하고, 제2 코팅 재료로는 산화규소(SiO2)를 제2 쉘(30)에 포함할 수 있다. 산화구리는 CO2 레이저에 대한 흡수율이 대략 0.76으로, 3차원 프린팅용 재료(2)에서 외부로 노출된 제2 쉘(30)의 산화규소가 우선적으로 상기 레이저를 흡수할 수 있으며, 적어도 일부의 레이저를 쉘(20)의 산화구리가 흡수할 수 있다. 이러한 경우, 레이저의 강도를 조절하여 쉘(20)과 제2 쉘(30)의 용융 정도를 조절할 수 있게 되어 단일 종류의 레이저 사용시에도 강도의 조절을 통해 다양하게 레이어를 구성할 수 있게 된다.
도 2a를 참조하면, 평면 기재 또는 후술할 3차원 프린터(100)의 베드부(110)에 복수 개의 3차원 프린팅용 재료(1)를 배치할 수 있으며, 일 방향으로 레이저(L1)를 조사하여 원하는 영역의 코팅 재료를 용융시킬 수 있다. 이러한 경우 도 2b와 같이 인접하는 3차원 프린팅용 재료(1)의 쉘(20)을 구성하는 코팅 재료가 용융하였다가 경화되면서 복수 개의 코어(10)를 피복하는 코팅막(21)을 형성할 수 있으며, 하나 이상의 코팅막(21)으로 피복되는 복수 개의 코어(10)를 포함하는 레이어를 형성할 수 있게 된다. 도시하지 않았으나, 상기 레이어의 상부에 다시 복수 개의 3차원 프린팅용 재료(1)를 배치할 수 있으며, 레이저(L1)를 원하는 영역에 조사하는 과정을 거쳐 복수 개의 레이어를 형성함과 동시에 이들을 결합시킬 수 있다.
도 3 및 상기 비특허문헌을 참조하면, 비철금속 소재는 코어(10)에 사용되는 자성 재료, 예를 들어 철 대비 KrF 레이저의 파장 범위에서 더 높은 흡수율을 나타내며, 비철금속 산화물 소재는 코어(10)에 사용되는 자성 재료, 예를 들어 철 대비 CO2 레이저의 파장 범위에서 더 높은 흡수율을 나타낸다. 따라서, 제2 쉘(30)을 포함하는 3차원 프린팅용 재료(2)를 사용하는 경우에는, 쉘(20)의 코팅 재료와 제2 쉘(30)의 제2 코팅 재료의 레이저 흡수율을 서로 상이하게 구성하여, 하나의 단계에서 서로 다른 레이어를 구성하거나, 레이어의 적층 과정에서 레이어들의 결합 관계를 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터(100)를 나타낸 모식도이다. 3차원 프린터(100)는 전술한 3차원 프린팅용 재료(1, 2)가 배치되는 베드부(110)와 상기 3차원 프린팅용 재료(1, 2)의 미리 정해진 영역에 레이저를 조사하는 레이저부(120)를 포함할 수 있다.
베드부(110)는 3차원 프린팅용 재료(1, 2)가 배치될 수 있는 실린더(111)를 더 포함할 수 있다. 실린더(111)는 3차원 프린팅용 재료(1, 2)가 적어도 하나의 층으로 배치될 수 있는 편평한 공간을 제공할 수 있다. 실린더(111)는 레이저에 의해 3차원 프린팅용 재료(1, 2)가 레이어를 형성함에 따라 하방으로 이동할 수 있으며, 상기 레이어의 상부에 추가적인 3차원 프린팅용 재료(1, 2)가 배치된 후 레이저 조사를 통해 추가 레이어를 형성할 수 있다. 도 4를 참조하면, 레이저 조사를 반복함에 따라 실린더(111) 상에는 레이저가 조사되어 코팅 재료가 용융 및 경화되어 형성되는 코팅막(21)이 형성된 영역과 레이저가 조사되지 않아 3차원 프린팅용 재료(1)가 그대로 남아있는 영역이 공존할 수 있게 된다.
이러한 방식으로 실린더(111)의 이동과 3차원 프린팅용 재료(1, 2)의 배치 및 레이저 조사를 반복하여 자성체를 제조할 수 있으며, 실린더(111)는 최종 자성체가 제조된 이후에 다시 상방으로 이동하여 자성체를 베드부(110)로부터 토출시킬 수 있다.
레이저부(120)는 고유한 파장의 레이저를 조사하는 하나 이상의 레이저 조사기(121~123)와 상기 레이저 조사기(121~123)의 구동을 제어하는 제어기(124)를 포함할 수 있다. 복수 개의 레이저 조사기는 레이저 파장에 따라 제1 레이저 조사기(121), 제2 레이저 조사기(122), 제3 레이저 조사기(123) 등으로 구분할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제어기(124)는 형상에 관한 설계와 사용되는 3차원 프린팅용 재료(1, 2)의 코팅 재료에 관한 정보를 입력 받아 레이저 조사기(121~123)의 구동을 제어할 수 있으며, 원하는 영역에 위치한 원하는 코팅 재료만을 용융하기 위해 레이저(L1)를 조사할 수 있다. 예를 들어, 제어기(124)는 하나의 레이저 조사기(121)만을 구동하여 원하는 파장을 갖는 레이저(L1)를 조사시킬 수 있다.
도 5 및 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3차원 프린터의 레이저부(120)를 나타낸 모식도이다.
도 5를 참조하면, 제어기(124)는 복수 개의 레이저 조사기(121~123) 중 둘 이상을 제어하여 서로 다른 파장 영역의 레이저를 중첩 또는 상쇄하여 원하는 파장의 레이저를 형성 및 조사할 수 있다. 예를 들어, 제어기(124)는 제1 레이저 조사기(121)를 이용하여 제1 파장을 갖는 레이저(L1)와 제2 레이저 조사기(122)를 이용하여 제2 파장을 갖는 레이저(L2)를 중첩시켜 원하는 다른 파장의 레이저(L'1)를 조사할 수 있다.
도 6을 참조하면, 레이저부(120)는 하나 이상의 레이저 조사기(121~123)로부터 조사되는 레이저의 파장을 변환하는 파장 변환 모듈(125)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6a를 참조하면, 파장 변환 모듈(125)은 레이저 조사기(121~123)에서 레이저가 조사되어 나오는 부분에 장착될 수 있으며, 원하는 다른 파장의 레이저(L'1)로 변환하여 조사할 수 있다.
또는, 도 6b를 참조하면 레이저 조사기(121~123)는 파장 변환 모듈(125)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 파장 변환 모듈(125)은 레이저 조사기(121~123)의 내부에 설치되는 것일 수 있으며, 제어기(124)는 파장 변환 모듈(125)의 구동을 제어하여 조사되는 레이저의 파장을 원하는 다른 파장의 레이저(L'1)로 변환하여 조사할 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅용 재료(1, 2)를 준비하는 단계, 및 상기 파장 범위를 갖는 레이저를 상기 3차원 프린팅용 재료(1, 2)에 조사하여 상기 코팅 재료를 용융시켜 레이어를 형성하는 단계를 포함하는 3차원 프린트 방법을 제공한다. 3차원 프린팅용 재료(1, 2)를 준비하는 단계와 레이어를 형성하는 단계는 설계에 따라 반복 수행할 수 있다.
이러한 경우, 코어-쉘 구조의 3차원 프린팅용 재료(1, 2)에서 쉘(20) 또는 제2 쉘(30)의 선택적인 레이저 용융을 통해 형상 자유도가 우수함과 동시에 코어(10) 손실에 따른 자기적 특성의 저하가 최소화된 자성체를 제조에 사용될 수 있다. 또한, 모터의 형상 자유도는 모터에 사용되는 자성체의 형상 자유도에 영향을 받으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체를 포함하는 모터 또한 형상 자유도가 높아 전기 자동차 등 다양한 전자 제품에 활용될 수 있다.
1, 2: 3차원 프린팅용 재료
10: 코어 20: 쉘
21: 코팅막 30: 제2 쉘
100: 3차원 프린터 110: 베드부
111: 실린더 120: 레이저부
121: 제1 레이저 조사기 122: 제2 레이저 조사기
123: 제3 레이저 조사기 124: 제어기
125: 파장 변환 모듈
L1, L2, L'1: 레이저
10: 코어 20: 쉘
21: 코팅막 30: 제2 쉘
100: 3차원 프린터 110: 베드부
111: 실린더 120: 레이저부
121: 제1 레이저 조사기 122: 제2 레이저 조사기
123: 제3 레이저 조사기 124: 제어기
125: 파장 변환 모듈
L1, L2, L'1: 레이저
Claims (16)
- 레이저를 사용하는 3차원 프린팅용 재료로서,
자성 재료를 포함하는 코어; 및
코팅 재료를 포함하며, 상기 코어의 표면을 피복하는 쉘을 포함하고,
상기 코팅 재료는 미리 정해진 파장 범위에서 상기 자성 재료보다 상기 레이저 흡수율이 더 높은 3차원 프린팅용 재료. - 제1항에 있어서,
상기 코팅 재료는 비철금속 및 비철금속의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 3차원 프린팅용 재료. - 제2항에 있어서,
상기 자성 재료는 Fe, FeAl, FeSiAl, FeSi, FeSiAl, FeSiCr, FeCr, FeCo, FeNi 및 FeNiP로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 연자성 재료이고,
상기 코팅 재료는 Al, Si, Ti, Cu, Zr, Sn 및 Ba로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물인 3차원 프린팅용 재료. - 제3항에 있어서,
상기 코팅 재료의 함량은 상기 3차원 프린팅용 재료의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%인 3차원 프린팅용 재료. - 제2항에 있어서,
상기 자성 재료는 AlNiCo, FeCrCo, FeCoV, CuNiFe, CuNiCo, PtCo, 바륨페라이트, 스트론튬 페라이트, SmCo5, SmCo17, NdFeB, NdFeN 및 SmFeN으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 경자성 재료인 3차원 프린팅용 재료. - 제5항에 있어서,
상기 코팅 재료의 함량은 상기 3차원 프린팅용 재료의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%인 3차원 프린팅용 재료. - 제1항에 있어서,
제2 코팅 재료를 포함하며, 상기 쉘의 표면을 피복하는 제2 쉘을 더 포함하고,
상기 제2 코팅 재료는 미리 정해진 파장 범위에서 상기 자성 재료보다 상기 레이저 흡수율이 더 높고, 상기 코팅 재료와 상이한 상기 레이저 흡수율을 갖는 3차원 프린팅용 재료. - 자성 재료를 포함하는 코어 및 코팅 재료를 포함하며, 상기 코어의 표면을 피복하는 쉘을 포함하고, 상기 코팅 재료가 미리 정해진 파장 범위에서 상기 자성 재료보다 레이저 흡수율이 더 높은 3차원 프린팅용 재료가 배치되는 베드부; 및
상기 3차원 프린팅용 재료의 미리 정해진 영역에 상기 파장 범위의 레이저를 조사하는 레이저부를 포함하는 3차원 프린터. - 제8항에 있어서,
상기 레이저부는,
레이저를 조사하는 하나 이상의 레이저 조사기; 및
상기 레이저 조사기의 구동을 제어하는 제어기를 포함하는 3차원 프린터. - 제9항에 있어서,
상기 레이저부는 서로 다른 파장 영역의 레이저를 조사하는 복수 개의 레이저 조사기를 포함하며,
상기 제어기는 상기 복수 개의 레이저 조사기 중 어느 하나를 구동하여 하나의 레이저를 조사시키는 3차원 프린터. - 제9항에 있어서,
상기 레이저부는 서로 다른 파장 영역의 레이저를 조사하는 복수 개의 레이저 조사기를 포함하며,
상기 제어기는 상기 복수 개의 레이저 조사기 중 둘 이상을 구동하여 레이저를 중첩하여 조사시키는 3차원 프린터. - 제9항에 있어서,
상기 레이저부는 상기 레이저 조사기에서 조사되는 레이저의 파장을 변환하는 파장 변환 모듈을 더 포함하는 3차원 프린터. - 제9항에 있어서,
상기 레이저 조사기는 상기 레이저 조사기에서 조사되는 레이저의 파장을 변환하는 파장 변환 모듈을 포함하는 3차원 프린터. - 자성 재료를 포함하는 코어 및 코팅 재료를 포함하며, 상기 코어의 표면을 피복하는 쉘을 포함하고, 상기 코팅 재료가 미리 정해진 파장 범위에서 상기 자성 재료보다 레이저 흡수율이 더 높은 3차원 프린팅용 재료를 준비하는 단계; 및
상기 파장 범위를 갖는 레이저를 상기 3차원 프린팅용 재료에 조사하여 상기 코팅 재료를 용융시켜 레이어를 형성하는 단계를 포함하는 3차원 프린트 방법. - 제14항의 3차원 프린트 방법으로 제조되는 자성체.
- 제15항의 자성체를 포함하는 모터.
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2022
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|---|
| N.K.Tolochko et. al., Asorptance of powder materials suitable for laser sintering, Rapid Prototyp. J. Vol. 6 (2000) 155-161 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR102601962B1 (ko) | 2023-11-14 |
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