KR20240097030A - 3d 프린팅 기술을 이용한 프린팅 방법 및 프린팅 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린팅 방법 및 3D 프린팅 장치에 관한 것으로, 3D 프린팅 방법은 금속분말을 공급하고, 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원을 조사하여 상기 금속 분말의 용융 및 응고에 의해 적어도 한 층 이상의 금속 레이어를 형성하는 레이어 형성 단계, 상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 높이를 제어하면서 압연시키는 압연 단계, 및 상기 레이어 형성 단계 및 상기 압연 단계를 반복 실행하여 복수의 금속 레이어를 적층해 가는 반복 실행 단계를 포함한다.

Description

3D 프린팅 기술을 이용한 프린팅 방법 및 프린팅 장치{PRINTING METHOD AND APPARATUS USING A 3D PRINTING TECHNOLOGY}

본 발명은 3D 프린팅 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린팅 기술을 이용한 프린팅 방법 및 프린팅 장치에 관한 것이다.

3D 프린팅(3D Printing)은 3차원으로 구현된 디지털 설계 데이터를 바탕으로 분말(Powder), 액체, 또는 실과 같은 형태로 이루어진 재료를 노즐을 통해 분사, 용융, 응고시킴으로써, 입체적인 물건을 매우 얇게 한 층씩 바닥부터 정점까지 쌓아가며 3차원 물체를 제조하는 기술이다.

상기 3D 프린팅은 재료를 깎아 제조하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing)과 대비되는 개념으로 적층제조(AM: Additive Manufacturing) 또는 쾌속조형(RP: Rapid Prototyping)이라고 하며, 3D 프린터는 3D 프린팅 프로세스를 구현할 수 있는 기계장비이다.

최근, 금속 부품에 대한 제조 시 3D 프린팅 기술을 활용하여 효율성을 개선하는 연구가 있으며, 특히 여러 가공이 요구되는 정밀 부품에 3D 프린팅 기술을 적용하고자 하는 시도가 증가하고 있다.

3D 프린팅의 대표적인 금속 적층 제조 공정은 분말 소결(Powder Bed Fusion, PBF)과 직접 용착(Direct Energy Deposition) 공정으로 크게 분류할 수 있다.

상기 분말 소결 방식은 분말 공급 장치에서 일정한 면적을 갖는 분말 베드에 수십 마이크로 미터의 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 설계 도면에 따라 선택적으로 조사한 다음 한층씩 용융시켜 적층해가는 방식이며, 상기 PBF 방식은 SLM(Selected Laser Melting), Laser Cursing, DMLS(Direct Metal Laser Sintering)과 같은 용어로 혼용될 수 있다.

상기 직접 용착 방식은 보호가스 분위기에서 금속분말을 실시간으로 공급하고, 고출력의 레이저와 같은 고 에너지로 공급 즉시 용융시켜 적층하고, 원하는 금속 소재를 완성할 때까지 공급, 용융, 및 적층 단계를 반복하는 것을 특징으로 한다. 상기 직접 용착 방식은 재현 반복성이 향상되고, 생산성이 높으며, 대형 부품 적용에 유리하고, 기존 금속 부품의 보수재생이 가능한 장점이 있어, 국내외에서 대형화 또는 복합화 시스템으로 연구개발이 진행 중이다.

이때, 직접 용착 방식은 레이저 열원 이외에는 부가 공정을 추가하지 않고, 분말의 용융 후, 열원이 빠져나가는 방향(즉, z축의 (-)방향)의 반대 방향(즉, z축의 (+)방향)으로 응고 시 조직이 성장하여, 원하는 금속 소재를 완성한다.

그러나, 상기 직접 용착 방식을 이용하여 입체 형상의 금속소재를 제조하는 경우, 용융 및 적층 시 z축의 (+)방향으로 응고(또는 냉각)가 빠르게 진행되므로 미세조직은 수직방향으로 길게 성장하여 적층면에서 이방성(anisotropic)이 나타나는데, 이방성에 의해 x-y 평면과 z축 방향과의 기계적 물성 차이를 발생하여 기계적 성질이 저하되는 문제가 생긴다.

또한, 기존의 금속분말을 이용하여 레이저 용융 및 적층 시 레이저 출력 및 분말 투입량에 따라 설계된 형상과 차이가 발생하게 된다. 따라서, 적층 중 센서에 의한 모니터링으로 적층 높이를 제어한다거나, 절삭공정을 통해 높이를 조절하게 된다. 이러한 공정들은 매우 고가의 센싱 부품을 추가로 설치하거나, 복잡한 절삭공정의 추가가 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 고가의 센싱 부품을 추가할 필요가 없어 경제적이고, 3D 프린팅에 의한 적층 시 높이차 및 이방성을 해소할 수 있는 3D 프린팅 기술을 이용한 프린팅 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 3D 프린팅 기술을 이용하는 프린팅 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 3D 프린팅 방법은 금속분말을 공급하고, 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원을 조사하여 상기 금속 분말의 용융 및 응고에 의해 적어도 한 층 이상의 금속 레이어를 형성하는 레이어 형성 단계, 상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 높이를 제어하면서 압연시키는 압연 단계, 및 상기 레이어 형성 단계 및 상기 압연 단계를 반복 실행하여 복수의 금속 레이어를 적층해 가는 반복 실행 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 높이를 제어하면서 압연시키는 압연 단계에서 상기 외력은 500 내지 1,000 MPa을 가할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 높이를 제어하면서 압연시키는 압연 단계에서 상기 롤러부의 이송 속도는 500 내지 1,000 mm/min일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 높이를 제어하면서 압연시키는 압연 단계에서 상기 금속 레이어의 높이는 0.1 내지 1.0 mm 범위로 제어될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 압연 단계에서는, 상기 금속 레이어의 적층 방향으로의 두께가 5 내지 10 % 감소하도록 외력을 인가할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 레이어 형성 단계 및 압연 단계 사이의 시간 간격은 적층부의 재결정 온도 이상의 범위에서 5 초 내지 10 초 동안 수행될 수 있다.

일 실시예에서, 최종 제품의 전체 면적 비율 중 등축조직(equiaxed microstructure) 비율이 50 내지 70 면적% 범위일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 반복 실행 단계에서, 상기 레이어 형성 단계와 상기 압연 단계는 한 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 반복할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른, 3D 프린팅 장치는 금속 분말과 조형 광원을 이용하여 금속분말의 용융 및 응고에 의해 금속 레이어를 형성하도록 구성된 프린팅 헤드부, 상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 높이를 제어하면서 압연시키는 압연부, 및 상기 프린팅 헤드부 및 상기 압연부를 제어하여 상기 금속 레이어 형성하는 과정과 상기 롤링부에 의한 압연 과정을 반복 실행하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 압연부는 상기 외력을 500 내지 1,000 MPa 범위로 가할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 압연부에서, 상기 롤러부의 이송 속도는 500 내지 1,000 mm/min일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 압연부는 상기 금속 레이어의 높이를 0.1 내지 1.0 mm 범위로 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 프린팅 방법은 (적층과 동시에 롤링과정을 동시에 수행함으로써) 적층 시 높이차 및 이방성을 해소할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른, 3D 프린팅 장치는 전술한 이점을 갖는 3D 프린팅 기술을 이용한 프린팅 방법을 제조하기 위한 장치를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 3D 프린팅 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 3D 프린팅 기술에 의해 금속 소재의 형상을 제조하는 프린팅 장치(10)의 개략적인 구성을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 대한 사진이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 비교예에 대한 사진이다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는”의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 3D 프린팅 방법은 금속분말을 공급하고, 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원을 조사하여 상기 금속 분말의 용융 및 응고에 의해 적어도 한 층 이상의 금속 레이어를 형성하는 레이어 형성 단계, 상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하고 압연시키며 높이 제어하는 압연 단계, 및 상기 레이어 형성 단계 및 상기 압연 단계를 반복 실행하여 복수의 금속 레이어를 적층해 가는 반복 실행 단계를 포함한다.

금속 분말을 공급하고, 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원을 조사하여 상기 금속 분말의 용융 및 응고에 의해 적어도 한 층 이상의 금속 레이어를 형성하는 레이어 형성 단계는 금속 분말을 공급하고, 전자빔, 아크, 또는 플라즈마와 같이 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원을 조사할 수 있다.

금속분말을 이용한 3D 프린팅 기술은 종래 사용된 금속 분말을 공급하고 전자빔또는 레이저 광원을 통해 이를 용융한 후, 입력된 설계에 따라 금속 레이어를 형성하는 과정이 활용될 수 있다. 금속 분말의 종류, 전자빔 또는 레이저의 종류, 및 레이어를 형성하는 구체적인 조작 방법은 종래 사용되는 종류 및 구조가 활용될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 금속 분말은 Al, Ti, Cu, Ni, Fe, Co, Cr, 및 Si 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전자빔 또는 레이저 중 상기 레이저는 ND:YAG 레이저, CO₂ 레이저, 광섬유레이저를 이용하여 수행될 수 있다. 상기 전자빔 또는 상기 레이저 중 상기 전자빔을 조형광원으로 사용할 경우, 진공 챔버 내에서 수행될 수도 있다.

일 실시예에서, 금속분말을 공급하고, 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원을 조사하여 상기 금속 분말의 용융 및 응고에 의해 적어도 한 층 이상의 금속 레이어를 형성하는 레이어 형성 단계는 상기 금속 분말을 예열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 금속 분말을 예열하는 단계는 950 내지 1,050 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 금속 분말을 전술한 온도 범위에서 예열함으로써, 상기 금속 레이어의 잔류응력을 저하시킬 수 있다.

상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 압연시키고 높이 제어하는 압연 단계는 상기 금속 레이어의 상부 표면에 압력을 가하면서 상기 금속 레이어의 높이를 제어하는 것이다. 구체적으로, 금속 레이어의 표면에 롤러부를 상기 금속 레이어 두께가 소정 범위 압연되도록 가압하며, 상기 금속 레이어 표면 전체를 압연시킬 수 있다.

일 실시예에서, 상기 압연 단계에서는, 상기 금속 레이어의 적층 방향으로의 두께가 5 내지 10 % 감소하도록 외력을 인가하는 것일 수 있다. 상기 외력은 비제한 적인 예시로, 금속 분말의 종류나 그 외 조건에 따라 조정될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 롤러부의 이송 속도는 500 내지 1,000 mm/min 일 수 있다. 구체적으로, 상기 롤러부의 이송 속도는 600 내지 900 mm/min일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 외력은 500 내지 1,000 MPa의 압력이 부여될 수 있다. 구체적으로, 상기 외력은 600 내지 900 MPa의 압력이 부여될 수 있다. 상기 이송 속도 및 상기 외력이 전술한 범위를 만족할 때, 높이 제어가 가능하고, 등축조직이 금속 레이어 내부 및 외부에 균일하게 생겨, 이방성을 낮추는 이점이 있다.

상기 이송 속도 및 상기 외력의 범위가 상한 값을 벗어나는 경우, 금속 레이어가 파손되는 문제가 있다. 상기 이송 속도 및 상기 외력의 범위가 하한 값을 벗어나는 경우, 원하는 효과가 발현되지 않는 문제가 있다.

일 실시예에서, 상기 롤러부는 초경 합금으로 구성될 수 있다. 상기 초경 합금은 금속 탄화물 분말을 소성해서 만든 경도가 우수한 합금으로 예를 들어, 텅스텐, 카바이드, 티타늄 중 적어도 하나 이상을 포함하는 합금일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 롤러부는 원형의 폭 1 내지 2 mm이고, 직경이 50 내지 100 mm일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 압연 단계에서 상기 금속 레이어의 높이는 0.1 내지 1.0 mm 범위로 제어될 수 있다. 상기 압연 단계는 전술한 특징을 만족함으로써, 상기 금속 레이어의 높이 제어를 정교하게 수행할 수 있는 이점이 있다.

일 실시예에서, 상기 레이어 형성 단계 및 압연 단계 사이의 시간 간격은 5 초 내지 10 초 범위 일 수 있다. 구체적으로, 상기 시간 간격은 적층부의 재결정온도 이상의 범위에서 수행될 수 있다.

상기 시간의 상한 값을 벗어나는 경우, 적층부의 온도가 내려가 롤링을 적용하더라도 높이조절이 어려운 문제가 있다. 상기 시간의 하한 값을 벗어나는 경우, 이송 속도를 빠르게 제어해야 하는 문제가 있다.

일 실시예에서, 상기 레이어 형성 단계 및 상기 압연 단계를 반복 실행하여 복수의 금속 레이어를 적층해 가는 반복 실행 단계는 전술한 금속 레이어 형성 단계 및 높이 제어하며 압연시키는 압연 단계을 반복하여 금속 레이어를 적층할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 레이어 형성 단계 및 상기 압연 단계를 반복 실행하여 복수의 금속 레이어를 적층해 가는 반복 실행 단계는 시행 횟수의 비율을 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 한 층의 금속 레이어 형성 단계를 수행할 때마다 그 표면에 압연 단계를 수행할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 레이어 형성 단계 및 상기 압연 단계를 반복 실행하여 복수의 금속 레이어를 적층해 가는 반복 실행 단계는 금속 레이어 형성 단계 : 압연 단계의 수행 비율이 3 : 1 내지 7 : 1, 구체적으로 4 : 1 내지 5 : 1의 비율로 수행될 수 있다. 예를 들어, 금속 레이어 층을 3 내지 7 층 적층 할 때마다, 압연 단계를 거칠 수 있다.

상기 압연 단계에 대한 상기 금속 레이어 형성 단계의 비율이 하한 값을 벗어나는 경우, 제조 시간이 증가하여 생산성이 저하되는 문제가 있다. 상기 압연 단계에 대한 상기 금속 레이어 형성 단계의 비율이 하한 값을 벗어나는 경우, 압연에 의해 원하는 높이를 구현하지 못하는 문제가 있다.

이와 같이, 복수 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 1 회의 압연 단계를 수행할 경우, 복수 층의 금속 레이어의 최상층 표면에 외력이 인가되며, 상기 외력은 최상층의 금속 레이어 뿐만 아니라, 상기 최상층 아래 금속 레이어에도 영향을 주기 때문에, 공정 시간을 최소화하며, 적층된 금속 레이어의 이방성을 해소시킬 수 있는 것이다. 구체적으로, 이 경우, 제조 시간을 최소화하여 생산성을 유지하며 동시에 금속 레이어의 조직을 개선하는 효과가 있다.

일 실시예에서, 전술한 금속 레이어 형성 단계, 압연 단계, 및 반복 실행 단계를 거쳐 제조된 제품은 전체 면적 비율 중 등축조직(equiaxed microstructure) 비율이 50 내지 70 면적% 범위에 포함될 수 있다. 상기 등축 조직의 비율은 롤링부에 의해 높이 제어 및 외력을 동시에 가함으로써, 외력이 표면에만 집중되어 군집조직을 등축조직으로 해소시키기에 충분하지 않은 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다. 구체적으로, 상기 롤링부가 롤러에 접촉하는 상기 금속 레이어의 표면 뿐만 아니라, 내부까지 외력이 전달되기 때문에 등축 조직의 비율 전술한 범위를 만족하는 이점이 있다. 상기 등축 조직 비율이 전술한 범위를 만족하지 않는 경우, 상기 금속 레이어의 이방성에 문제가 있다.

상기 등축 조직 비율이 전술한 범위를 만족함으로써, 집합 조직이 개선된 금속 레이어 층을 제공하여 금속 레이어들 간의 이방성을 최소화하는 이점이 있다. 전술한 범위를 만족하지 못하는 경우, 집합 조직이 개선되지 않는 문제가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 3D 프린팅 방법을 설명하기 위한 모식도이다.

도 1을 참조하면, 우선, 레이저와 금속 분말을 이용하여 금속 레이어를 적층한다. 이후, 상기 금속 레이어 상부에 롤러부를 이용하여 외력을 가해 상기 금속 레이어를 압연시킨다. 이후, 레이저와 금속 분말을 이용하여 금속 레이어를 적층하는 방법을 반복한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 3D 프린팅 기술에 의해 금속 소재의 형상을 제조하는 프린팅 장치(10)의 개략적인 구성을 도시한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른, 프린팅 장치(10)는 프린팅 헤드부(100), 압연부(200), 및 제어부(300)를 포함하여 이루어진다. 프린팅 헤드부(100)는 금속분말과 레이저와 같은 조형 광원을 이용하여 금속분말을 용융시켜 설계에 따라 방출하고 응고되도록 하여 금속 레이어를 형성하도록 구성된다.

일 실시예에서, 프린팅 헤드부(100)는 분말 공급부(110), 실드 가스 공급부(120), 및 광원부(130)을 포함할 수 있다.

압연부(200)는 제어부(300)의 제어에 따라, 프린팅 헤드부(100)에 의해 금속 레이어(ML)가 형성된 후, 해당 금속 레이어(ML)의 표면에 그 적층 방향으로 외력을 가해 압연시키고 금속 레이어(ML)의 높이를 제어하도록 하는 부재이다.

일 실시예에서, 압연부(200)는 롤러부로 구성될 수 있다. 상기 롤러부는 소정의 회전 속도로 회전하며, 적층된 금속 레이어(ML)의 최상층을 압연시킬 수 있다. 상기 롤러부재는 전술한 롤러부를 참고할 수 있다.

일 실시예에서, 롤러부재는 초경 합금으로 구성될 수 있다. 상기 초경 합금은 금속 탄화물 분말을 소성해서 만든 경도가 우수한 합금으로 예를 들어, 텅스텐, 카바이드, 티타늄 중 적어도 하나 이상을 포함하는 합금일 수 있다.

제어부(300)는 프린팅 헤드부(100) 및 압연부(200)를 제어하여 금속 레이어(ML)의 형성 및 압연을 반복하여 실행한다. 구체적으로, 프린팅 헤드부(100)는 제어부(300)의 제어에 따라, 분말 공급부(110)로부터 금속분말을 공급받고, 실드 가스 공급부(140)로부터 실드 가스를 공급받아, 광원부(130)에서 광원을 조사하여 금속분말을 용융시켜서 소정 위치에 배출하고 응고되도록 한다.

구체적으로, 압연부(200)는 제어부(300)의 제어에 따라, 일 실시예에서, 압연부(200)의 이송 속도는 500 내지 1,000 mm/min 일 수 있다. 구체적으로, 650 내지 900 mm/min 일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 외력은 500 내지 1,000 MPa의 압력이 부여될 수 있다. 구체적으로, 상기 외력은 600 내지 900 MPa의 압력이 부여될 수 있다.

상기 이송 속도 및 상기 외력이 전술한 범위를 만족함으로써, 금속 레이어(ML)의 높이를 0.1 내지 1 mm 범위로 제어할 수 있다. 상기 이송 속도 및 상기 외력의 범위가 상한 값을 벗어나는 경우, 금속 레이어가 파손되는 문제가 있다. 상기 이송 속도 및 상기 외력의 범위가 하한 값을 벗어나는 경우, 원하는 효과가 발현되지 않는 문제가 있다.

이때, 금속 레이어(ML)이 적층되는 베드(400)가 이동하거나, 프린팅 헤드부(100) 또는 압연부(200)가 이동하거나, 베드(400) 및 프린팅 헤드부(100) 또는 압연부(200)가 함께 이동하면서 설계된 경로에 따라 금속 레이어가 형성되고 압연되도록 할 수 있다.

일 실시예에서, 제어부(300)는 상기 압연 단계의 수행 비율에 대한 상기 금속 레이어 형성 단계의 수행 비율이 1 내지 7/1 일 수 있다. 구체적으로, 제어부(300)는 상기 압연 단계의 수행 비율에 대한 상기 금속 레이어 형성 단계의 수행 비율이 3/1 내지 6/1일 수 있다. 구체적으로, 금속 레이어(ML)가 1층 형성될 때 마다, 압연 단계가 각 금속 레이어 층마다 수행될 수 있고, 3 내지 7개의 금속 레이어(ML)를 형성할 때마다 한 번에 압연 단계가 수행될 수도 있다.

이는 비제한적인 예시로, 하나의 완성품을 제조하는데 있어, 동일한 실행 비율로 반복할 필요는 없으며, 적층 초기 단계와 적층 후기 단계의 실행 비율이 상이할 수 있고, 이에 따라, 압연 단계도 전술한 범위 내에서 상이하게 제어될 수 있다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실험예

<실시예>

본 발명의 3D 프린팅 방법은 STS316L 분말을 금속분말로서 공급하고, DED 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원으로 아크 빔과 같은 광원을 선택적으로 조사하여 금속 분말을 용융하였다. 이후, 용융된 금속 분말을 급냉시켜 응고시킴으로써, 금속 소재로 이루어진 첫 번째 금속 레이어를 형성하였다. 이후, 전술한 방법을 반복하여 다섯 번째 금속 레이어를 형성하였다.

이후, 폭 1mm, 직경 500mm 텅스텐 중합금의 롤러를 이용하여 700 MPa의 에너지를 가압하여 압연 속도 500 mm/min으로 공정을 수행하였다. 이후, 금속 레이어 적층 및 압연 공정을 반복하여 수행하였다.

<비교예 1>

압연 공정을 추가 수행하지 않은 점 이외에 상기 실시예와 동일하게 수행하였다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 대한 사진이다.

도 3a는 적층 및 압연 공정을 수행하여 3D 프린팅을 진행한 후에 제품의 외관 사진이고, 도 3b 및 도 3c는 압연 공정을 추가한 후에, 금속 분말이 용융 및 응고된 상태에서 나타나는 미세조직이다.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 압연 공정이 적용된 본 발명의 실시예의 응고 조직은 수지상(cellular dendritic) 형태로 성장하여 등축형으로 변화되는 것을 확인하였다. 또한, 적층 높이는 5층 적층 시 층간 높이를 층간 높이 0.3mm으로 하여, 1.7mm가 1.5mm로 제어되었다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 비교예에 대한 사진이다.

도 4a는 압연 공정 없이 적층단계만 거친 3D 프린팅을 진행한 후에 제품의 외관 사진이고, 도 4b 및 도 4c는 압연 공정의 추가 없이 금속 분말이 용융 및 응고된 상태에서 나타나는 미세조직이다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 주요 특징인 압연 공정을 적용하지 않았을 때의 미세조직에 있어서, 내부의 응고 조직은 cellular dendritic 형태로 성장하여 이방성으로 변화되는 것을 확인하였다. 또한, 적층 높이는 5층 적층시 층간 높이 0.3mm으로 하여,1.7 mm로 실시예 대비 0.2 mm가 증가된 것을 확인하였다.

이와 같이, 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 본 발명의 3D 프린팅을 이용하여 적층 높이를 조절하고, 적층부의 이방성 해소가 가능하여 제품의 신뢰도를 향상시키고, 적층 높이의 제어를 위한 고비용의 센싱 장치나 이방성 제거를 위한 추가적인 후처리 공정이 필요 없음을 확인하였다. 또한, 압연 공정을 추가 수행함에 따라, 적층부의 치밀도 향상과 기공, 및 균열이 제거된 것을 확인하였다.

본 발명은 상기 구현예 및/또는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

1. 금속분말을 공급하고, 3D 프린팅에 사용되는 조형 광원을 조사하여 상기 금속 분말의 용융 및 응고에 의해 적어도 한 층 이상의 금속 레이어를 형성하는 레이어 형성 단계;
   상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 높이를 제어하면서 압연시키는 압연 단계; 및
   상기 레이어 형성 단계 및 상기 압연 단계를 반복 실행하여 복수의 금속 레이어를 적층해 가는 반복 실행 단계를 포함하는 3D 프린팅 방법.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 높이를 제어하면서 압연시키는 압연 단계에서 상기 외력은 500 내지 1,000 MPa을 가하는 3D 프린팅 방법.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 높이를 제어하면서 압연시키는 압연 단계에서 상기 롤러부의 이송 속도는 500 내지 1,000 mm/min인 3D 프린팅 방법.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 높이를 제어하면서 압연시키는 압연 단계에서 상기 금속 레이어의 높이는 0.1 내지 1.0 mm 범위로 제어되는 3D 프린팅 방법.
   
5. 제1 항에 있어서,
   상기 압연 단계에서는, 상기 금속 레이어의 적층 방향으로의 두께가 5 내지 10 % 감소하도록 외력을 인가하는 3D 프린팅 방법.
   
6. 제1 항에 있어서,
   상기 반복 실행 단계에서, 상기 레이어 형성 단계와 상기 압연 단계는 한 층의 금속 레이어를 형성할 때마다 반복하는 3D 프린팅 방법.
   
7. 금속 분말과 조형 광원을 이용하여 금속분말의 용융 및 응고에 의해 금속 레이어를 형성하도록 구성된 프린팅 헤드부;
   상기 금속 레이어의 표면에 롤러부에 의한 외력을 가하여 높이를 제어하면서 압연시키는 압연부; 및
   상기 프린팅 헤드부 및 상기 압연부를 제어하여 상기 금속 레이어 형성하는 과정과 상기 롤링부에 의한 압연 과정을 반복 실행하도록 제어하는 제어부를 포함하는 3D 프린팅 장치.
   
8. 제1 항에 있어서,
   상기 압연부는 상기 외력을 500 내지 1,000 MPa 범위로 가하는 3D 프린팅 장치.
   
9. 제1 항에 있어서,
   상기 압연부에서, 상기 롤러부의 이송 속도는 500 내지 1,000 mm/min인 3D 프린팅 장치.
   
10. 제1 항에 있어서,
    상기 압연부는 상기 금속 레이어의 높이를 0.1 내지 1.0 mm 범위로 제어하는 3D 프린팅 장치.