KR20240021060A - 아크 와이어 방식 금속 3d 프린팅 시스템 및 이를 이용한 3d 적층체의 제조방법 - Google Patents

아크 와이어 방식 금속 3d 프린팅 시스템 및 이를 이용한 3d 적층체의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20240021060A
KR20240021060A KR1020220099570A KR20220099570A KR20240021060A KR 20240021060 A KR20240021060 A KR 20240021060A KR 1020220099570 A KR1020220099570 A KR 1020220099570A KR 20220099570 A KR20220099570 A KR 20220099570A KR 20240021060 A KR20240021060 A KR 20240021060A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
protective gas
metal
arc
wire
laminate
Prior art date
Application number
KR1020220099570A
Other languages
English (en)
Inventor
지창욱
김재득
천주용
이정훈
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020220099570A priority Critical patent/KR20240021060A/ko
Publication of KR20240021060A publication Critical patent/KR20240021060A/ko

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/10—Formation of a green body
    • B22F10/12—Formation of a green body by photopolymerisation, e.g. stereolithography [SLA] or digital light processing [DLP]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/32—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber
    • B22F10/322—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber of the gas flow, e.g. rate or direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
    • B22F12/55—Two or more means for feeding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/70—Gas flow means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Arc Welding In General (AREA)

Abstract

제안기술은 용융된 금속 와이어를 적층하여 3D 적층체를 제조하는 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템에 있어서, 금속 와이어에 전류를 인가하여 아크를 발생시키고, 발생된 아크로 금속 와이어를 용융하는 용접 토치, 상기 용접 토치 외측에 일체로 구비되어 상기 아크를 감싸는 제1 보호가스를 분사하는 제1 보호가스 분사부, 용융된 금속 와이어가 적층되는 기판 및 상기 적층된 금속 와이어의 측면방향으로 제2 보호가스를 분사하는 제2 보호가스 분사부를 포함하는, 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 3D 적층체의 제조방법에 관한 것이다.

Description

아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 3D 적층체의 제조방법{Arc wire metal 3D printing system and manufacturing method of 3D structure using the same}
제안기술은 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 3D 적층체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아크를 감싸는 보호가스와 적층된 금속 와이어의 측면방향으로 보호가스를 각각 분사하여 3D 적층체의 형상 정밀도를 향상한 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템에 관한 발명이다.
통상적으로 마그네슘 합금은 중량에 비해 강도가 우수하여 경량화 재료로 수요가 증가하고 있다. 다만, 마그네슘 합금은 연소 위험성이 높으며, 응력 부식에 약하다는 치명적인 문제가 있기 때문에, 대형구조물의 자율형상제조에 유리한 아크 와이어 금속 3D 적층 공정(WAAM, Wire Arc Additive Manufacturing)을 적용하기에 어렵다는 단점이 있다.
이와 관련하여 Jianwei LI, Youmin QIU, Junjie YANG 등은 AZ31을 대상으로 waam 공정을 적용하여 적층체를 제조하는 방법을 설명하고 있습니다.
하지만 상기의 방법으로도 마그네슘의 치명적 약점인 연소 위험성이 높으며, 응력 부식으로 인해 3D 금속 프린팅 시스템을 최적화 하기에 많은 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2021-0028867호 (2021.03.15.)
Jae-Deuk Kim, Jae Won Kim, Changwook Ji, Effect of Shielding Gases on the Wire Arc Additive Manufacturability of 5 Cr - 4 Mo Tool Steel for Die Casting Mold Making, Korean J. Met. Mater, vol.58, no.12, pp. 852-862 (2020) Jae-Deuk Kim, Joo Yong Cheon, Changwook Ji, Review on the Wire Arc Additive Manufacturing Process and Trends in Non-fer ous Alloys, Journal of Welding and Joining 2021; 39(6): 603-612. (2021) Jianwei LI, Youmin QIU, Junjie YANG, Effect of grain refinement induced by wire and arc additive manufacture (WAAM) on the corrosion behaviors of AZ31 magnesium alloy in NaCl solution, Journal of Magnesium and Alloys, (2021)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 마그네슘 합금의 아크 와이어 금속 3D 적층 공정 시 공정 조건을 최적화하여 제품의 불량을 제어하고 용접 비드를 안정화하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 아크를 감싸는 보호 가스와 적층된 금속 와이어의 측면방향으로 보호 가스를 각각 분사하여 3D 적층체의 형상 정밀도를 향상하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 금속 와이어에 전류를 인가하여 아크를 발생시키고, 발생된 아크로 금속 와이어를 용융하는 용접 토치, 상기 용접 토치 외측에 일체로 구비되어 상기 아크를 감싸는 제1 보호가스를 분사하는 제1 보호가스 분사부, 용융된 금속 와이어가 적층되는 기판 및 상기 적층된 금속 와이어의 측면방향으로 제2 보호가스를 분사하는 제2 보호가스 분사부를 포함하는, 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템에 관한 것이다.
실시 예에 따르면, 상기 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템은, 상면이 개방된 박스 형상으로, 내부에는 상기 기판이 안착되고, 측면에는 상기 제2 보호가스가 통과되는 관통홀이 형성된 쉴딩 박스를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예는 제1 보호가스 분사부와 제2 보호가스 분사부를 가동하는 단계, 용접 토치를 가동하여 금속 와이어를 용융시키는 단계, 용융된 금속 와이어를 동일한 간격으로 중첩하고, 이를 적층하여 3D 적층체를 제조하는 단계를 포함하는, 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법에 관한 것이다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 보호가스 분사부에서 분사되는 보호가스의 분사속도는, 상기 제2 보호가스 분사부에서 분사되는 보호가스의 분사속도보다 더 빠를 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 보호가스 분사부는, 23 내지 30ℓ/min의 분사속도로 보호가스를 분사하고, 상기 제1 보호가스 분사부는, 15 내지 20ℓ/min의 분사속도로 보호가스를 분사할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 금속 와이어는 중량%로 Al 2.0 내지 3.5, Zn 0.5 내지 1.0, Mn 0.2 내지 0.5, Cu 0.002 내지 0.005, Si 0.001 내지 0.001, Fe 0.002 내지 0.003 및 잔부의 Mg와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 금속 와이어를 용융시키는 단계는, 100A 이상의 전류를 인가하여 발생된 아크로 상기 금속 와이어를 용융할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 3D 적층체를 제조하는 단계는, 45㎝/min 이상의 속도로 상기 용접 토치를 이동하여 금속 와이어를 적층할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예는 마그네슘 3D 적층체에 관한 것이다.
실시 예에 따르면, 상기 3D 적층체는 금속 와이어가 연장된 방향 기준으로 275내지 285㎫의 최대 인장 강도(UTS)를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 아크 와이어 금속 3D 적층 공정의 공정 조건을 최적화하여 용접 비드를 안정화하여 제품의 품질 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 아크를 감싸는 보호가스와 적층된 금속 와이어의 측면방향으로 보호가스를 각각 분사하여 3D 적층체의 형상 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1에는 본 발명의 실시 예에 따른 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 공정의 보호가스 제어 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 용접 토치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 기판부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제2 보호가스의 공급 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법의 순서도이다.
도 6은 S200 단계에서 용접 비드를 CMT로 형성하였을 때 토치의 이송 속도와 가압 전류에 따른 용접 비드의 형상을 비교하기 위한 그래프이다.
도 7은 S200 단계에서 용접 비드를 CMT-P로 형성하였을 때 토치의 이송 속도와 가압 전류에 따른 용접 비드의 형상을 비교하기 위한 그래프이다.
도 8은 S200 단계에서 용접 비드를 펄스 아크 용접법으로 형성하였을 때 토치의 이송 속도와 가압 전류에 따른 용접 비드의 형상을 비교하기 위한 그래프이다.
도 9는 용저 조건에 따른 용접 비드를 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 구조물의 폭 방향의 단면 및 길이 방향의 단면을 촬영한 사진이다.
도 11은 본 발명의 제2 보호가스를 분사하지 않은 3D 구조물의 폭 방향의 단면 및 길이 방향의 단면을 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 3D 적층체의 최대 인장 강도를 측정하기 위한 시편의 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 적층체의 최대 인장 강도를 비교한 그래프이다.
상술한 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 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 3D 적층체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마그네슘 합금으로 제공되는 금속 와이어를 아크로 용융하고, 이를 적층하는 아크 와이어 금속 3D 적층 공정(WAAM, Wire Arc Additive Manufacturing)을 수행할 수 있다. 그 결과 마그네슘 합금의 3D 적층체를 제조할 수 있다.
본 명세서에서 용접 비드(Weld Bead)는 용융된 금속 와이어가 기판에서 응고되어 형성된 하나의 용접선을 의미한다.
본 명세서에서 용접 비드층은 동일한 평면에 용접 비드 복수개가 동일한 간격으로 중첩된 하나의 층을 의미한다.
본 명세서에서 3D 적층체 또는 적층체는 복수의 용접 비드층이 기판과 수직한 방향으로 복수개 적층되어 형성된 구조물을 의미한다.
통상적으로 마그네슘 합금은 중량에 비해 강도가 우수하여 경량화 재료로 수요가 증가하고 있다. 다만, 마그네슘 합금은 연소 위험성이 높으며, 응력 부식에 약하다는 치명적인 문제가 있다. 이러한 이유로, 마그네슘 합금은 다이캐스팅 등 주조에 의해 가공되고 형상의 정밀도가 중요한 3D 프린팅 방법으로 가공하기에는 어려움이 있다.
본 발명은 이를 개선하기 위해 특정 조성의 마그네슘 합금 와이어에 대하여 용접 방법, 용접 토치의 이송 속도(Travel speed) 및 가압 전류를 한정하여 마그네슘 합금으로 제조된 3D 적층체의 형상 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 본 발명은 아크 와이어 금속 3D 적층 공정(WAAM) 수행 시, 둘 이상의 보호가스 분사부를 통해 보호가스를 서로 다른 방향으로 분사할 수 있다. 더욱 바람직하게 본 발명은 보호가스를 아크를 감싸는 방향과 용융된 금속 와이어의 측면 방향으로 분사할 수 있다. 이하, 아크를 감싸는 방향으로 분사되는 보호가스를 제1 보호가스, 용융된 금속 와이어의 측면 방향으로 분사하는 보호가스를 제2 보호가스로 정의한다. 그 결과, 본 발명은 3D 적층체의 형상을 균일하게 제어하고 형상 정밀도를 향상할 수 있다.
이하 본 발명의 실시 예에 따른 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 공정의 보호가스 제어 시스템의 구성을 설명한다.
도 1에는 본 발명의 실시 예에 따른 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 공정의 보호가스 제어 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 용접 토치를 설명하기 위한 도면이고 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 기판부를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제2 보호가스의 공급 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 보호가스 제어 시스템(1000)은 용접 로봇(100), 기판부(200), 와이어 공급기(300) 및 가스 챔버(400)을 포함하여 구성된다.
상기 용접 로봇(100)은 용접 토치(110), 제1 보호가스 분사부(130) 및 제2 보호가스 분사부(150)가 포함될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 용접 토치(110)는 금속 와이어에 전류를 인가하여 아크를 발생시키고, 발생된 아크로 금속 와이어를 용융할 수 있다. 구체적으로 용접 로봇(100)은 전원부를 통해 상기 용접 토치(110) 내부로 공급되는 금속 와이어에 소정의 전위를 인가할 수 있다. 그 결과 상기 금속 와이어와 상기 기판(210) 사이에 전위차이로 인하여 아크가 발생되어 상기 금속 와이어를 용융할 수 있다.
상기 제1 보호가스 분사부(130)는 용접 토치(110) 외측, 더욱 바람직하게는 용접 토치 주변부에 일체로 고정되며, 아크를 감싸는 방향으로 보호가스를 분사할 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 보호가스 분사부(130)는 아크로 인해 용융된 와이어가 융착되는 용융부 주변으로 보호가스를 분사하여 용융부를 보호할 수 있다.
도 2에는 기재되지 않았으나, 상기 제2 보호가스 분사부(150)는 상기 용접 토치(110) 및 제1 보호가스 분사부(130)와 분리되어 별도의 분사 노즐에 의해 보호가스를 분사할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제2 보호가스 분사부(150)는 상기 적층된 금속 와이어의 측면방향으로 보호가스를 분사할 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 용접 토치(110)가 진행하는 방향과 수직한 방향으로 제2 보호가스를 분사할 수 있다.
이하, 상기 제1 보호가스 분사부(130)로부터 분사되는 보호가스를 제1 보호가스, 제2 보호가스 분사부(150)로부터 분사되는 보호가스를 제2 보호가스로 정의한다.
실시 예에 따르면, 상기 제2 보호가스 분사부(150)는 하나의 분사 노즐을 포함할 수 있으나, 둘 이상의 분사 노즐을 포함하여 보호가스를 분사할 수 있다. 즉, 상기 제2 보호가스는 둘 이상의 지점에서 각각 제2 보호가스를 분사할 수 있다.
상기 기판부(200)는 상기 용접 토치(110)에 의해 용융된 금속 와이어가 적층되어 적층체가 형성되는 기판(210) 및 상면이 개방된 박스 형상의 쉴딩 박스(230)를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 쉴딩 박스(230) 내부의 공간에 기판(210)을 고정시킬 수 있다. 도면에는 개시되지 않았으나, 상기 기판은 지그, 나사 등 고정 부재에 의해 쉴딩 박스(230) 내부 공간에 고정될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 쉴딩 박스 (230)의 좌우 측면에는 상기 제2 보호가스 분사부(150)가 고정되는 보호가스 공급 라인(235)이 한 쌍 이상 형성될 수 있다.
상기 보호가스 공급 라인(235)은 상기 쉴딩 박스(230)의 좌우 측면에서부터 소정의 길이로 연장되는 파이프 형상으로, 일 단은 제2 보호가스 분사부(150)에 고정되고, 타 단은 쉴딩 박스(230) 좌우 측면에 형성된 연통홀(H)과 연통되어 쉴딩 박스(230)의 좌우 측면으로 제2 보호가스를 분사할 수 있다. 다시 말해, 상기 쉴딩 박스(230)는 좌우 측면에 형성된 보호가스 공급 라인(235)을 통해, 제2 보호가스 분사부(130)를 고정하여, 쉴딩 박스(230) 내부에 고정된 기판(210)에 제2 보호가스를 분사할 수 있다.
도 4의 (a)를 참조하면, 상기 쉴딩 박스(230)는 두 쌍의 보호가스 공급 라인(235)을 통해 기판(210)에 제2 보호가스를 공급할 수 있다. 또는 도 4의 (b)와 같이 복수의 보호가스 공급 라인(235)을 통해 기판(210) 전 부분에 제2 보호가스를 고르게 공급할 수 있다. 또는 도 4의 (c)와 같이 복수의 보호가스 공급 라인(235)의 위치를 이동시킬 수 있는 이동부재를 포함하여, 상기 용접 토치(110)의 이송 속도에 따라 제2 보호가스 분사부(150)를 이동(M)시켜, 제2 보호가스를 공급할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 보호가스 분사부에서 분사되는 보호가스의 분사 속도는, 상기 제2 보호가스 분사부에서 분사되는 보호가스의 분사 속도보다 더 빠를 수 있다. 만약, 상기 제1 보호가스 분사부에서 분사되는 보호가스의 분사 속도, 다시 말해 제1 보호가스의 분사 속도가 제2 보호가스의 분사 속도보다 같거나 느리면, 상기 제2 보호가스가 외부 공기를 밀어내어 용융부가 외부 공기에 노출될 수 있다. 그 결과 용융부가 외부 공기에 포함된 산소, 질소, 수분에 노출되어 적층체에 불순물이 포함될 수 있다. 아울러, 상기 제2 보호가스의 분사 속도가 지나치게 강하면 적층체의 형상 균일도가 감소될 수 있다. 이러한 이유로, 상기 제1 보호가스의 분사 속도는 제2 보호가스의 분사 속도보다 더 빠른 것이 바람직하다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 와이어 공급기(300)는 상기 용접 로봇(100)에 금속 와이어를 공급할 수 있다. 이를 통해 상기 용접 로봇(100)은 상기 용접 토치(110)에서 금속 와이어를 용융하여 상기 기판(210) 위에 와이어를 적층할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 금속 와이어는 마그네슘 합금 와이어로 제공될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 중량%로 Al 2.0 내지 3.5, Zn 0.5 내지 1.0, Mn 0.2 내지 0.5, Cu 0.002 내지 0.005, Si 0.001 내지 0.001, Fe 0.002 내지 0.003 및 잔부의 Mg와 불가피한 불순물을 포함하는 합금 와이어로 제공될 수 있다.
마지막으로, 상기 가스 챔버(400)는 내부에 보호가스를 저장할 수 있으며, 상기 제1 보호가스 분사부(130)와 제2 보호가스 분사부(150)에 각각 독립적으로 보호가스를 공급할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 보호가스와 제2 보호가스는 아르곤(Ar) 가스로 제공될 수 있다.
이상 본 발명의 실시 예에 따른 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템에 관해 설명하였다. 이하 본 발명의 실시 예에 따른 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법의 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 3D 적층체의 제조방법은 제1 보호가스 분사부와 제2 보호가스 분사부를 가동하는 단계(S100), 용접 토치를 가동하여 금속 와이어를 용융시키는 단계(S200) 및 용융된 금속 와이어를 동일한 간격으로 중첩하고, 이를 적층하여 3D 적층체를 제조하는 단계(S300)을 포함할 수 있다.
상기 S100 단계는, 제1 보호가스 분사부와 제2 보호가스 분사부를 가동하여 용융부를 보호하는 제1 보호가스와 기판 주변에 분사되는 제2 보호가스를 분사할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 보호가스의 분사 속도는 상기 제2 보호가스의 분사 속도보다 더 빠를 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는 상기 제1 보호가스의 분사속도는 23 내지 30ℓ/min, 제2 보호가스는 15 내지 20ℓ/min의 분사 속도로 분사될 수 있다.
상기 S200 단계는, 상기 용접 토치를 가동하여 금속 와이어를 용융시킬 수 있다.
앞서 설명한대로, 상기 금속 와이어는 마그네슘 합금 와이어로 제공될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 중량%로 Al 2.0 내지 3.5, Zn 0.5 내지 1.0, Mn 0.2 내지 0.5, Cu 0.002 내지 0.005, Si 0.001 내지 0.001, Fe 0.002 내지 0.003 및 잔부의 Mg와 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금 와이어로 제공될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 금속 와이어는 0.0002 중량% 이하의 Ni을 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 S200 단계는 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(Cold Metal Transfer Welding; CMT) 또는 상기 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(CMT)과 펄스 아크 용접법(Pulse arc process)의 두가지 용접법을 특정 주기로 교차하는 CMT-P 용접법을 사용하여 수행할 수 있다.
본 명세서에서 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(CMT)은 와이어의 움직임을 디지털 프로세스로 초당 90초 이상 제어하여 낮은 전류에서도 용접이 가능한 저입열 용접기법으로, 와이어 송급 모터를 포함하여, 상기 레이어를 동일한 속도로 공급할 수 있다는 장점이 있다.
실시 예에 따르면, 상기 용접 로봇은 상술한 CMT 또는 CMT-P 용접법에서 11.2 내지 22.0 V의 가압 전압, 40 내지 150 A의 가압 전류, 150 내지 710 J/min의 입열량 및 10 내지 18 ㎜의 용접면과 공구 끝점 사이의 거리(Contact tip to work distance; CTWD)에서 수행될 수 있다. 또한, 상술한 조건에서 용접 토치를 40 내지 100 ㎝/min 으로 이송하여 용접 시 용융된 와이어가 정상적으로 용착되지 않고 주변으로 비산되는 스패터(spatter)가 발생하거나 용접 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
실시 예에 따르면, 본 발명은 상술한 조건에서 용접 토치의 이송 속도와 가압 전류를 최적화하여 형상의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 그 구체적인 과정은 후술하도록 한다.
마지막으로 S300 단계에서는 용융된 금속 와이어를 동일한 간격으로 중첩하고, 이를 적층하여 3D 적층체를 제조할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 S300 단계는 용융된 금속 와이어 복수개를 동일한 간격으로 중첩하여 복수의 용접 비드로 이루어진 용접 비드층을 형성할 수 있다. 이 과정에서 어느 하나의 용접 비드는 가장 인접한 용접 비드와 소정 부분 오버랩(Overlap, ?후? 상태)되는 것이 바람직하다. 상기 용접 비드가 서로 오버랩 되지 않으면, 상기 용접 비드 사이 공간으로 응력이 집중되어 취성이 증가될 수 있으며, 적층 시 상기 용접 비드 사이 공간으로 상층의 용접 비드가 침몰되어 형상에 변화가 발생할 수 있다. 반면에 상기 와이어들이 지나치게 오버랩되면 와이어 사이에 간섭이 발생하여 스패터가 증가될 수 있다. 또한, 용접열이 좁은 공간에 지나치게 집중되어 기판, 와이어 또는 상기 용접 비드가 적층되어 형성된 금형 프리폼에 열변형이 발생될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 용접 비드 사이의 간격(Interpass distance, d)은 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
0.7w ≤ d ≤0.75w
(상기 관계식 1에서 w는 용접 비드의 폭을 의미하며, d는 용접 비드 사이의 간격을 의미한다)
즉, 상기 용접 비드 사이의 간격은 상기 용접 비드 폭에 의해 결정될 수 있는데, 바람직하게는 상기 용접 비드 폭의 70 내지 75%인 것이 바람직하다.
상기 용접 비드 사이의 간격이 0.7w 미만이면, 상기 용접 비드 사이의 간격이 지나치게 좁아 상기 용융된 금속 와이어가 온전하게 응고 되지 못하고 서로 간섭하고 표면이 불균일 하여 용접면 주변부로 스패터될 수 있다. 또한 상기 용접 비드 사이의 간격이 좁아지면 좁아질수록 스패터 되는 양이 증가한다. 아울러 상기 용접 비드 사이의 간격(d)이 0.7w 미만이면, 각각의 금속 와이어의 용융열로 인하여 열변형이 발생할 수 있다.
반면에 상기 용접 비드 사이의 간격(d)이 0.75w를 초과하면 용융된 금속 와이어가 균일하게 오버랩 되지 못하고, 일부 구간에 기공이 발생하거나 응고되는 금속 와이어가 부족하여 해당 부분의 밀도가 감소될 수 있다. 이 경우 기공이 발생하거나, 또는 밀도가 감소된 쪽으로 응력집중이 일어나서 변형, 파괴의 원인이 된다.
이러한 이유로, 상기 용접 비드 사이의 간격은 상기 용접 비드 폭을 기준으로 70 내지 75%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 71 내지 73%로 형성될 수 있다.
또한, 복수의 용접 비드층을 상기 기판 위에 수직으로 적층할 수 있다. 이 때, 용접 비드층의 높이 간격(Interlayer distance, l)은 하기 관계식 2를 만족할 수 있다.
[관계식 2]
0.8h ≤ l ≤ h
(상기 관계식 2에서 h는 용접 비드의 높이를 의미하며, l는 용접 비드층의 높이 간격을 의미한다)
즉, 상기 용접 비드층의 높이 간격은 상기 용접 비드층의 높이에 의해 결정될 수 있는데, 바람직하게는 상기 용접 비드 높이(h)의 80% 이상인 것이 바람직하다.
상기 용접 비드층의 높이 간격이 용접 비드 높이의 80% 미만이면, 상기 용접 비드를 일 방향으로 적층할 때, 용융열로 인해 아랫층의 용접 비드에 변형이 발생할 수 있다. 또한, 상기 용접 비드층의 높이 간격이 용접 비드 높이(h)의 80% 미만이면 동일한 높이의 금형 프리폼을 형성하기 위해 요구되는 용접 비드층이 증가하여 생산성이 감소할 수 있다.
반면에, 상기 용접 비드층의 높이 간격(l)이 용접 비드 높이(h)의 100%를 초과하면 적층된 용접 비드층의 결합력이 감소되어 3D 적층체의 형상이 변형될 수 있다.
이러한 이유로, 상기 용접 비드층의 높이 간격은 상기 용접 비드 높이를 기준으로 80%이상인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 90% 이상으로 형성될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 S300 단계에서 용접 비드층은 비드의 시작 지점과 종료 지점이 교차하는 지그재그(Zig-Zag) 방식으로 적층할 수 있다.
만약, 비드의 시작 지점과 종료 지점이 일치하는 한 방향 적층법으로 용접 비드를 적층하는 경우, 용착량이 높은 용접 비드의 시작 지점이 일 방향에 집중되고, 상대적으로 용착량이 낮은 용접 비드의 종료 지점이 일 방향에 집중되어 상기 구조물이 기울어지는 현상이 발생하게 된다. 이때, 상기 용착량은 용융된 금속 와이어의 밀도를 의미한다.
반면에 상기 지그재그(Zig-Zag) 적층법으로 용접 비드를 적층하는 경우, 상대적으로 용착량이 높은 용접 비드의 시작 지점과 상대적으로 용착량이 낮은 용접 비드의 종료 지점이 서로 교차하여 용착량이 고르게 분포할 수 있다. 이를 통해 상기 구조물이 기울어지는 현상을 방지할 수 있다.
실시 예에 따르면, 적층된 용접 비드층을 기계가공하여 3D 적층체를 제조할 수 있다. 이때 상기 기계가공은 드릴을 이용한 황삭 및 연삭 가공하는 것을 의미하나 이에 한정되지 않는다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 S300 단계는 아크를 감싸는 제1 보호가스와 적층된 금속 와이어의 측면방향으로 제2 보호가스가 동시에 분사되는 환경에서 수행될 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 아크가 발생되는 방향으로 제1 보호가스가 분사되며, 용접 토치가 진행하는 방향의 수직 방향으로 제2 보호가스가 분사되는 환경에서 수행될 수 있다. 이를 통해 본 발명은 동일한 양의 와이어를 용융하였을 때, 더 넓은 면적의 3D 적층체를 구현할 수 있으며, 동일한 3D 적층체를 제조하였을 때, 유효 면적을 효과적으료 증가시킬 수 있다.
이상 본 발명의 실시 예에 따른 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법을 설명하였다.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
1) 용접 방법에 따른 용접 조건 최적화
도 6은 S200 단계에서 용접 비드를 CMT로 형성하였을 때 토치의 이송 속도와 가압 전류에 따른 용접 비드의 형상을 비교하기 위한 그래프이고, 도 7은 S200 단계에서 용접 비드를 CMT-P로 형성하였을 때 토치의 이송 속도와 가압 전류에 따른 용접 비드의 형상을 비교하기 위한 그래프이고, 도 8은 S200 단계에서 용접 비드를 펄스 아크 용접법으로 형성하였을 때 토치의 이송 속도와 가압 전류에 따른 용접 비드의 형상을 비교하기 위한 그래프이고, 도 9는 용저 조건에 따른 용접 비드를 촬영한 사진이다.
용접 방법에 따른 용접 토치의 이송 속도(Travel speed) 및 가압 전류(Current)를 한정하기 위하여 하기 표 1과 같은 조성의 마그네슘 합금 와이어를 준비하였으며, 하기 용접 방법, 이송 속도, 가압 전류 조건만 변형해가며 길이 130㎜, 폭 10㎜의 용접 비드를 반복 형성하였다. 용접 방법, 이송 속도, 가압 전류 외 구체적인 용접 비드 형성 조건은 하기 표 2와 같다.
와이어 조성 Al Zn Mn Cu Si Fe Ni Mg
AZ31B 2.89 0.76 0.35 0.0035 0.0010 0.0025 0.0001 Bal.
※ 상기 표 1에서 각 조성의 단위는 중량%이다.
구 성 실험 조건
기판 AZ31B(상기 표 1의 와이어 조성과 동일)
용접 방법 CMT / CMT-P / Pulse
용접 토치의 이송 속도 5 ~ 70 ㎝/min
가압 전류 40 ~ 150 A
입열량 707 J/㎜
CTWD 15 ㎜
용접 토치와 시험편 사이 접촉각 90°
제1 보호가스 25ℓ/min, Ar
제2 보호가스 20ℓ/min, Ar
그 결과 용접 비드의 상태를 하기 표 3 내지 5에 정리하였다. 구체적으로 용접 방법을 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(Cold Metal Transfer Welding; CMT)으로 수행하였을 때 결과를 하기 표 3 및 도 6에 정리하였으며, CMT-P 용접법으로 수행하였을 때 결과를 표 4 및 도 7에, 펄스 아크 용접법(Pulse arc process)으로 수행하였을 때 결과를 표 5 및 도 8에 정리하였다.
구 분 용접 방법 이송 속도
(㎝/min)		 가압 전류
(Amp)		 비드 상태
실시예 1 CMT 60 150 O
실시예 2 70 150 O
실시예 3 60 140 O
비교예 1 40 140 △
비교예 2 50 140 △
비교예 3 30 130 △
비교예 4 40 130 △
비교예 5 50 130 △
비교예 6 60 130 △
비교예 7 40 120 △
비교예 8 40 110 △
비교예 9 40 100 △
비교예 10 40 90 △
비교예 11 20 80 △
비교예 12 30 80 △
비교예 13 40 80 △
비교예 14 5 60 X
비교예 15 7 60 X
비교예 16 10 60 X
비교예 17 5 50 X
비교예 18 5 40 X
구 분 용접 방법 이송 속도
(㎝/min)		 가압 전류
(Amp)		 비드 상태
실시예 21 CMT-P 50 130 O
실시예 22 60 130 O
실시예 23 50 120 O
실시예 24 50 110 △
비교예 21 40 100 △
비교예 22 50 100 △
비교예 23 40 90 △
비교예 24 20 80 △
비교예 25 30 80 △
비교예 26 40 80 △
비교예 27 10 80 X
비교예 28 7 70 X
비교예 29 5 55 X
비교예 30 6 50 X
구 분 용접 방법 이송 속도
(㎝/min)		 가압 전류
(Amp)		 비드 상태
비교예 31 Pulse 40 100 X
비교예 32 30 90 X
비교예 33 20 80 X
비교예 34 25 80 X
비교예 35 30 80 X
비교예 36 40 80 X
비교예 37 20 60 X
비교예 38 10 50 X
비교예 39 5 40 X
※ 상기 표 3 내지 5의 비드 상태에서 O는 정상 비드를, △는 험핑 비드(humping bead)가 발생하여 비드 형상이 불량한 상태를 의미하고, X는 비드의 계면 파괴가 발생한 것을 의미한다
상기 표 3 및 도 6을 참조하면, 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(CMT)으로 비드를 형성하는 경우, 60 ㎝/min 이상의 용접 토치의 이송 속도와 140A이상의 가압 전류를 동시에 가해야만 정상적인 비드를 획득할 수 있다.
만약 용접 토치의 이송속도가 60 ㎝/min 미만이거나 또는 가압 전류가 140A 미만이면, 연속한 혹 형상의 고르지 않은 비드(험블 비드, humping bead)가 발생하거나, 용접된 와이어가 중첩되어 적정 길이의 비드를 획득할 수 없다. 즉, CMT로 비드를 형성하는 경우, 용접 토치의 이송속도가 60 ㎝/min 미만이거나, 가압 전류가 140A 미만이면 비드가 불량하고, 중첩이 발생될 수 있다.
한편, 용접 토치의 이송속도가 20 ㎝/min 미만이거나, 가압 전류가 80A 미만이면, 비드 계면이 파괴되거나 일부는 스패터가 발생될 수 있다.
상기 표 4 및 도 7을 참조하면, CMT-P로 비드를 형성하는 경우, 50 ㎝/min 이상의 용접 토치의 이송 속도와 110A이상의 가압 전류를 동시에 가해야만 정상적인 비드를 획득할 수 있다.
만약 용접 토치의 이송속도가 50 ㎝/min 미만이거나 또는 가압 전류가 110A 미만이면, 비드가 불량하고, 중첩이 발생될 수 있다. 용접 토치의 이송속도가 20 ㎝/min 미만이거나 또는 가압 전류가 80A 미만이면, 비드의 계면이 파괴되고, 스패터가 발생될 수 있다.
마지막으로 표 5 및 도 8을 참조하면, 펄스 아크 용접법(Pulse)으로 비드를 형성하면 용접 토치의 이송 속도와 가압 전류에 관계없이 모두 계면 파괴와 스패터가 발생됨을 확인하였다.
도 9를 참조하면, 각 조건에 따른 용접 비드의 형상을 관찰할 수 있다. 구체적으로 상기 표 1 내지 3에서 X 상태의 경우, 용접 비드에서 계면 파괴가 발생되었음을 확인할 수 있으며, 일부 용접 비드는 스패터가 발생되어 용접된 와이어가 주변으로 비산되는 것을 확인할 수 있다. 표 1 내지 3에서 △ 상태의 경우, 용융된 와이어가 중복되어 용접 비드의 길이가 감소되었으며, 일부 영역에서 용접 비드가 혹 형태로 굴곡진 험블 비드(humping bead)가 관찰되었다. 이는 용접열이 고르게 이송되지 못하고 일부 영역에 집중되어 와이어가 불균일하게 용융되었음을 나타내주는 증거이다. 반면에 용접 토치의 이송 속도와 가압 전류가 최적화되면 험블 비드나 스패터가 발생하지 않고 와이어가 고르게 용융되어 정상적인 비드가 형성되었음을 확인할 수 있다.
즉 본 발명은 상기 S200 단계를 수행할 때, 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(CMT) 또는 CMT-P 중에 어느 하나의 방법을 선택하여 용접 비드를 형성할 수 있다.
이 때, 용접 비드를 CMT로 형성하는 경우, 60 ㎝/min 이상의 용접 토치의 이송 속도와 140A이상의 가압 전류를 동시에 가해 비드 형상을 최적화 할 수 있으며, 용접 비드를 CMT-P로 형성하는 경우, 50 ㎝/min 이상의 용접 토치의 이송 속도와 110A이상의 가압 전류를 동시에 가해 비드 형상을 최적화 할 수 있다.
2) 제2 보호가스 유무에 따른 형상 정밀도 차이 비교
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 구조물의 폭 방향의 단면 및 길이 방향의 단면을 촬영한 사진이고, 도 11은 본 발명의 제2 보호가스를 분사하지 않은 3D 구조물의 폭 방향의 단면 및 길이 방향의 단면을 촬영한 사진이다.
제2 보호가스 유무 및 유속에 따른 형상 정밀도 차이를 비교하기 위하여 하기 실시예 및 비교예에 따라 용접 비드를 수직으로 적층하였다. 그 결과 길이 130㎜, 폭 10㎜ 및 높이 57㎜로 3D 적층체를 제조하였다.
[실시예 41]
용접 토치 외측에 일체로 구비되어 상기 아크를 감싸는 제1 보호가스(Ar)를 25ℓ/min로 분사하고, 용접 토치가 진행하는 방향과 수직한 방향으로 제2 보호가스(Ar)를 20ℓ/min로 분사한 것 외 모든 과정을 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 41]
제1 보호가스만을 분사하고, 제2 보호가스를 분사하지 않은 것 외 모든 과정을 실시예 41과 동일하게 수행하였다.
상기 실시예 41 및 비교예 41를 표 6에 정리한다. 하기 표 6에서 유효 면적(Effective rectangular area)이란 3D 구조물의 폭 방향의 단면에서, 직사각형 모양의 벽이 형성된 부분의 넓이를 의미하며, 정밀도는 이론상 면적 대비 유효 면적의 백분율(유효 면적 / 이론상 면적 x 100))로 계산되었다. 이 때, 이론상 면적은 용접 비드의 폭(10㎜)과 높이(57㎜)를 곱한 570 ㎟을 의미한다.
제1 보호가스
(ℓ/min)		 제2 보호가스
(ℓ/min)		 유효 면적 (㎟) 정밀도 (%)
실시예 41 25 20 453.37 79.54
비교예 41 25 - 408.73 71.71
상기 표 6을 참조하면, 제1 보호가스와 제2 보호가스를 모두 분사한 실시예 41은 제1 보호가스만 분사한 비교예 41 보다 유효면적이 44.64㎟ 더 넓어졌다. 실제로 실시예 41로 제조한 3D 구조물의 폭 방향의 단면(도 10의 (a))과 길이 방향의 단면(도 10의 (b))를 참조하면, 비교예 41로 제조한 3D 구조물의 폭 방향의 단면(도 11의 (a))과 길이 방향의 단면(도 11의 (b))에 비해 구조물의 폭 방향과 길이 방향의 형상 정밀도가 향상되었음을 확인할 수 있다. 그 결과 정밀도가 75% 이상, 더욱 바람직하게는 79.54% 이상으로 증가하였다.
또한, 사진에는 포함되지 않았으나, 제2 보호가스가 20ℓ/min를 초과하면 금속 와이어의 측면방향으로 받는 힘이 증가하여 3D 구조물의 폭 방향으로 굴곡면이 형성되었다. 그 결과, 정밀도가 75% 미만으로 감소되었다.
또한, 제1 보호가스와 제2 보호가스가 모두 20ℓ/min로 동일하면 제2 보호가스가 외부 공기를 밀어내어 용융부의 일부가 외부 공기에 노출되어, 그 결과 불순물이 적층체 내부에 포함되어 정밀도가 감소되는 것을 확인하였다.
즉, 본 발명에서 상기 제1 보호가스는 제2 보호가스보다 더 높은 분사속도로 분사되어아 하며, 제2 보호가스는 25ℓ/min 미만으로 분사되는 것이 바람직한 것을 실험적으로 확인했다. 이러한 이유로, 상기 제1 보호가스는 23 내지 30ℓ/min, 제2 보호가스는 제1 보호가스보다 더 낮은 15 내지 20ℓ/min로 분사되는 것이 바람직하다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 3D 적층체의 최대 인장 강도를 측정하기 위한 시편의 방향을 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 적층체의 최대 인장 강도를 비교한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 3D 적층체를 대상으로 금속 와이어가 연장된 방향(Horizontal)과 3D 적층체의 높이 방향(vertical)으로 3D 적층체를 절단하여 인장 시편을 제조하였으며, 제조된 시편의 최대 인장 강도(Ultimate tensile strength, UTS)와 연신율을 측정하였다. 측정 결과를 도 13 및 하기 표 7에 정리하였다.
가스 분사 방향 최대 인장 강도(㎫) 연신율(%)
Horizontal vertical Horizontal vertical
실시예 41 Torch + Side 283±0.19 273±2.65 23.7±1.3 19.7±2.4
비교예 41 Torch only 258±5.78 267±5.57 23.7±1.6 20.7±1.4
상기 표 7 및 도 13을 참조하면, 제1 보호가스(Torch)와 제2 보호가스(Side)를 동시에 공급하는 실시예 41은 제1 보호가스만 공급하는(Torch only) 비교예 41에 비해 최대 인장강도가 약 6 내지 25㎫ 이상 증가하였으며 연신율도 동등한 수준을 가지고 있다는 것을 확인하였다. 이는 제2 보호가스를 공급함에 따라 형상 정밀도가 향상되어 특정 부위에 비드가 밀집되거나 비드 사이 공극이 발생되는 등 비드 밀도가 감소하는 현상이 방지되었기 때문이다.
즉, 제2 보호가스를 공급하여 비드의 밀도가 증가하였으며, 그 결과 3D 적층체의 강도가 증가하였다.
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.
1000 : 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템
100 : 용접 로봇
110: 용접 토치
130: 제1 보호가스 분사부
150: 제2 보호가스 분사부
210 : 기판
230: 쉴딩 박스
300: 와이어 공급기
400: 가스 챔버

Claims (10)

  1. 용융된 금속 와이어를 적층하여 3D 적층체를 제조하는 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템에 있어서,
    금속 와이어에 전류를 인가하여 아크를 발생시키고, 발생된 아크로 금속 와이어를 용융하는 용접 토치;
    상기 용접 토치 외측에 일체로 구비되어 상기 아크를 감싸는 제1 보호가스를 분사하는 제1 보호가스 분사부;
    용융된 금속 와이어가 적층되는 기판; 및
    상기 적층된 금속 와이어의 측면방향으로 제2 보호가스를 분사하는 제2 보호가스 분사부;를 포함하는, 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템은,
    상면이 개방된 박스 형상으로, 내부에는 상기 기판이 안착되고,
    측면에는 상기 제2 보호가스가 통과되는 관통홀이 형성된 쉴딩 박스를 더 포함하는, 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항의 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 금속 3D 프린팅 방법에 있어서,
    제1 보호가스 분사부와 제2 보호가스 분사부를 가동하는 단계;
    용접 토치를 가동하여 금속 와이어를 용융시키는 단계;
    용융된 금속 와이어를 동일한 간격으로 중첩하고, 이를 적층하여 3D 적층체를 제조하는 단계; 를 포함하는, 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 보호가스 분사부에서 분사되는 보호가스의 분사속도는,
    상기 제2 보호가스 분사부에서 분사되는 보호가스의 분사속도보다 더 빠른, 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 보호가스 분사부는, 23 내지 30ℓ/min의 분사속도로 보호가스를 분사하고,
    상기 제1 보호가스 분사부는, 15 내지 20ℓ/min의 분사속도로 보호가스를 분사하는, 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 금속 와이어는 중량%로 Al 2.0 내지 3.5, Zn 0.5 내지 1.0, Mn 0.2 내지 0.5, Cu 0.002 내지 0.005, Si 0.001 내지 0.001, Fe 0.002 내지 0.003 및 잔부의 Mg와 불가피한 불순물을 포함하는, 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 금속 와이어를 용융시키는 단계는,
    100A 이상의 전류를 인가하여 발생된 아크로 상기 금속 와이어를 용융하는, 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 3D 적층체를 제조하는 단계는,
    45㎝/min 이상의 속도로 상기 용접 토치를 이동하여 금속 와이어를 적층하는, 아크 와이어 방식 금속 3D 프린팅 시스템을 이용한 3D 적층체의 제조방법.
  9. 상기 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 3D 적층체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 3D 적층체는 금속 와이어가 연장된 방향 기준으로 275내지 285㎫의 최대 인장 강도(UTS)를 가지는, 3D 적층체
KR1020220099570A 2022-08-09 2022-08-09 아크 와이어 방식 금속 3d 프린팅 시스템 및 이를 이용한 3d 적층체의 제조방법 KR20240021060A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220099570A KR20240021060A (ko) 2022-08-09 2022-08-09 아크 와이어 방식 금속 3d 프린팅 시스템 및 이를 이용한 3d 적층체의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220099570A KR20240021060A (ko) 2022-08-09 2022-08-09 아크 와이어 방식 금속 3d 프린팅 시스템 및 이를 이용한 3d 적층체의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240021060A true KR20240021060A (ko) 2024-02-16

Family

ID=90056202

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220099570A KR20240021060A (ko) 2022-08-09 2022-08-09 아크 와이어 방식 금속 3d 프린팅 시스템 및 이를 이용한 3d 적층체의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240021060A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210028867A (ko) 2019-09-05 2021-03-15 주식회사 히즈시스템 3d 프린터를 이용한 금형 제조 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210028867A (ko) 2019-09-05 2021-03-15 주식회사 히즈시스템 3d 프린터를 이용한 금형 제조 방법

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jae-Deuk Kim, Jae Won Kim, Changwook Ji, Effect of Shielding Gases on the Wire Arc Additive Manufacturability of 5 Cr - 4 Mo Tool Steel for Die Casting Mold Making, Korean J. Met. Mater, vol.58, no.12, pp. 852-862 (2020)
Jae-Deuk Kim, Joo Yong Cheon, Changwook Ji, Review on the Wire Arc Additive Manufacturing Process and Trends in Non-fer ous Alloys, Journal of Welding and Joining 2021; 39(6): 603-612. (2021)
Jianwei LI, Youmin QIU, Junjie YANG, Effect of grain refinement induced by wire and arc additive manufacture (WAAM) on the corrosion behaviors of AZ31 magnesium alloy in NaCl solution, Journal of Magnesium and Alloys, (2021)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110914014B (zh) 用于使用焊接路径的组合激光焊接金属工件的方法
US20170165781A1 (en) Additive manufacturing of titanium article
KR102179200B1 (ko) 기울어진 레이저 빔에 의한 코팅의 제거와 함께 프리 코팅된 금속 시트의 제조 방법 및 해당 금속 시트
US4521664A (en) Process and apparatus for surfacing with high deposition and low dilution
EP2402106A1 (en) Complex method of welding incombination of gas-shield ark welding with submerged ark welding
KR101449118B1 (ko) 레이저 용접방법 및 이를 이용한 레이저 용접 부재
KR20180101326A (ko) 강화 구조 컴포넌트들
CN110582371B (zh) 提高焊接表面品质的光滑方法
US11529697B2 (en) Additive manufacturing using aluminum-containing wire
EP3632608A1 (en) Additive manufacturing using aluminum-containing wire
CN105008087B (zh) 机动车部件中的焊缝的激光金属沉积熔覆
JP7394025B2 (ja) 電気・電子機器用部品
CN112139636A (zh) 一种镁合金活化tig电弧增材制造系统及方法
KR20240021060A (ko) 아크 와이어 방식 금속 3d 프린팅 시스템 및 이를 이용한 3d 적층체의 제조방법
KR20120031857A (ko) 이종재 접합방법
KR102513393B1 (ko) 와이어 아크 3d 적층법으로 제조한 nab 합금 프로펠러의 제조방법
JP2019076916A (ja) 積層造形物の製造方法及び積層造形物
JP2009262198A (ja) 鋼材とアルミニウム材のｍｉｇ溶接継手の製造方法及び鋼材とアルミニウム材のｍｉｇ溶接継手
JP2693654B2 (ja) 表面処理金属の溶接方法
CN113732623B (zh) 一种复合板材的对焊连接方法
US20220111441A1 (en) Method of additive manufacturing with separation via a frangible zone
KR102487431B1 (ko) 와이어 아크 3d 적층법으로 제조한 알루미늄 다이캐스팅 금형의 제조방법
WO2001003875A1 (fr) Procede de soudage et dispositif de soudage a ecartement serre
JP2019209359A (ja) 溶接構造物の製造方法及び溶接構造物
US20230032662A1 (en) Metal composite material and method for producing metal composite material