WO2017057838A1 - 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물, 이를 원료로 하는 3차원 프린팅 방법 및 3차원 프링팅 장치 - Google Patents

3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물, 이를 원료로 하는 3차원 프린팅 방법 및 3차원 프링팅 장치 Download PDF

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차기룡
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Definitions

  • the support shaft may be hinged with respect to the carriage, and the support shaft may be hinged with respect to the moving part.
  • FIG. 10 is a view for explaining a third embodiment of the configuration for driving the moving unit of the three-dimensional printing unit of the three-dimensional printing apparatus according to the present invention.
  • the metal powder-containing composition 30 according to the present invention homogeneously mixes the metal powder 20a and the polymer binder 20b at a high temperature through a kneading machine 500 and grinder or pellet tie. It is prepared by pulverization and granulation into pellets having a certain particle size using a mill.
  • the metal powder-containing composition 30 thus prepared is laminated by a three-dimensional printing method in the three-dimensional printing apparatus 10 and is used as a feedstock used to manufacture steel products.
  • the extrusion head of the three-dimensional printing unit 200 is provided. Supplied to 210.
  • Austenitic stainless steels are called Cr-Ni stainless steels, and Cr and Ni are added to Fe.
  • the main component of the austenitic stainless steel consists of Fe, Cr, and Ni, and there are various additives shown in Table 1 below.
  • Table 1 below shows a preferred example of the austenitic stainless steel which is a component of the metal powder used to prepare the metal powder-containing composition for three-dimensional printing in the present invention, the embodiment of the present invention is limited to this example only. It is not.
  • Carbon (C) reacts with chromium (Cr), which is added to improve corrosion resistance, and may cause corrosion resistance due to precipitation of chromium carbide in the grain boundary at grain boundaries. Therefore, the smaller the content of carbon (C) is, the better. If the carbon (C) is 0.03% by weight or less, the corrosion resistance is not significantly reduced. Therefore, the content of carbon (C) is preferably 0.03% by weight or less.
  • Silicon (Si) is an effective element for deoxidation and is added in the solvent stage. However, if excessively contained, the steel product extracted after degreasing and sintering may cause hardening of the stainless steel sheet, leading to decrease ductility. 1.0 weight% or less is preferable.
  • Manganese (Mn) combines with sulfur (S) inevitably incorporated, and has the effect of reducing sulfur (S) dissolved in stainless steel and suppressing grain boundary segregation of sulfur (S). of sulfur at the grain boundary, which is an effective element to prevent cracking of steel products extracted after degreasing and sintering (prevents cracking of the steel sheet during hot rolling).
  • S sulfur
  • S grain boundary segregation of sulfur
  • Molybdenum (Mo) is an effective element for suppressing local corrosion such as gap corrosion of stainless steel. Therefore, it is effective to add molybdenum (Mo) when steel products are used in harsh environments. However, when it adds more than 3 weight%, stainless steel may be embrittlement and productivity may fall, and excessive consumption of molybdenum (Mo) may raise the cost. Therefore, the content of molybdenum (Mo) is preferably 3% by weight or less.
  • the lower one is preferable because phosphorus (P) causes a decrease in ductility.
  • phosphorus (P) is 0.03% by weight or less, the ductility does not significantly decrease. Therefore, the content of phosphorus (P) is preferably 0.03% by weight or less.
  • S Sulfur
  • Mn manganese sulfide
  • S sulfur
  • MnS manganese sulfide
  • the lower one is preferable. If it is 0.03 weight% or less, corrosion resistance will not fall remarkably. Therefore, the content of sulfur (S) is preferably 0.03% by weight or less.
  • the balance is iron (Fe) and unavoidable impurities.
  • the austenitic stainless metal powder having the composition and the content ratio of the composition 1 or the composition 2 of Table 1 uses a metal powder having a particle diameter (D50) of 9.5 to 11 ⁇ m.
  • the surface area of the powder is small, to reduce the content of the polymer binder and to smooth degreasing, to maintain a uniform shrinkage during sintering, austenite
  • the system stainless metal powder it is preferable to use a metal powder powdered into a spherical shape.
  • the process for producing austenitic stainless metal powders involves scattering a liquidized (superheated) austenitic stainless metal stream into fine droplets and then spherical solid particles having a particle diameter (D50) of 9.5-11 ⁇ m. It can be produced by a spray process to cool with.
  • the austenitic stainless metal powder which is composed of the components 1 or 2 and the content ratio of the composition 1 or 2 and spherically powdered to a particle diameter (D50) of 9.5 to 11 ⁇ m, is kneaded with a polymer binder including a binder, a plasticizer and a lubricant.
  • the total weight of the metal powder-containing composition may include 90.0 to 94.0% by weight of the austenite-based stainless metal powder, and may include 6.0 to 10.0% by weight of the polymer binder.
  • austenite-based stainless metal powder is less than 90.0% by weight based on the total weight of the metal powder-containing composition, a large amount of the polymer binder is removed by a degreasing process described later, so that the shape of the semifinished product 40 is to be printed. If it is not maintained, but exceeds 94.0% by weight, a small amount of the polymer binder is added, it is difficult to secure the cohesive force as a feedstock for the three-dimensional printing.
  • the binder is a backbone binder added to secure cohesion necessary in the three-dimensional printing process due to the low binding strength between the spherical powdered austenitic stainless metal powder.
  • Polystyrene, polyethylene, and polypropylene Ethylene vinyl acetate (Ethylene-vinylacetate), ethylene ethyl acrylate (Ethylene-ethylacrylate), methyl methacrylate (Methal-methacrylate), at least one copolymer selected from the group consisting of butyl methacrylate (Butyl-methacrylate) It may include.
  • the binder added to the austenite-based stainless metal powder is preferably a polyethylene copolymer.
  • the polyethylene copolymer is removed at a high temperature while the steel product subjected to the hot degreasing process maintains its shape.
  • the polyethylene copolymer is preferably contained 3 to 5% by weight based on the total weight of the metal powder-containing composition.
  • Plasticizer is an organic substance that is added to the agglomerated composition by combining austenitic stainless metal powder and binder to facilitate the molding process during 3D printing.
  • Microcrystalline wax, paraffin wax, montan wax (Montan wax) and the like can be used.
  • the present invention adds a paraffin wax (Paraffin Wax) that can increase the ductility by lowering the bonding strength between the polymer binder at a relatively low temperature as a plasticizer.
  • the paraffin wax is preferably included 2.5 to 3.5% by weight relative to the total weight of the metal powder-containing composition.
  • the lubricant is added so that the metal powder-containing composition is melted in the raw material feeder, so that the surface sliding property is good at the time of press injection, so that the supply to the extrusion head 210 of the three-dimensional printer 200 via the feed guide pipe is made smooth.
  • stearic acid As the component to stearic acid (Stearic acid), oleic acid (Oleic acid), palmitic acid (Palmitic acid), linolenic acid (Linolenic acid) and the like can be used, in the present invention, stearic acid is added.
  • the stearic acid is preferably contained 0.5 to 1.5% by weight based on the total weight of the metal powder-containing composition.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining a three-dimensional printing method using a metal powder-containing composition according to the present invention as a raw material.
  • the three-dimensional printing method using the metal powder-containing composition according to the present invention as a raw material first kneading the metal powder and the polymer binder, and then pulverized and granulated the metal powder-containing composition
  • Prepare raw material preparation step; S100. It is preferable to use SUS-304L or SUS-316L austenitic stainless metal powder having a component and content ratio of the above-described composition 1 or composition 2 as the metal powder that is a raw material of the metal powder-containing composition in step S100.
  • the metal powder and the polymer binder are homogeneously kneaded, and then cooled to room temperature.
  • the kneading process is performed at a high temperature of 170 ° C. or higher, which is a temperature at which the polyethylene copolymer is completely melted, so that the polyethylene copolymer, which is a binder included in the polymer binder, is melted and homogeneously mixed with the metal powder.
  • the cooled mixture is pulverized by using a grinder or pelletizer, and granulated into pellets having a certain particle size, whereby the feedstock in the three-dimensional printing process described later is A metal powder containing composition is prepared.
  • the metal powder-containing composition prepared in the raw material preparation step (S100) is supplied to the extrusion head 310 of the three-dimensional printer 300 (raw material supply step; S200).
  • the metal powder-containing composition 30 is melted and pressure-injected by the raw material feeder 200 so as to be smoothly supplied to the extrusion head 310 of the three-dimensional printer 300 to extrude the head. It is preferably supplied to 310.
  • the extrusion head 310 of the three-dimensional printer 300 directly, without passing through the raw material feeder 200 for melting and pressing the pellets granulated with the metal powder-containing composition. And metal melt-containing composition pellets with heat generated in the extrusion head 310 itself.
  • the metal powder-containing composition in the molten state supplied in the raw material supply step (S200) is discharged to the plate 330 through the nozzle of the extrusion head 310 of the three-dimensional printer 300 to bait plate 330
  • the print layer is laminated on the layer (lamination step; S300).
  • the extrusion head 310 of the three-dimensional printer 300 moves in the X-axis and Y-axis with respect to the upper surface of the plate 330 and discharges the molten metal powder-containing composition. Stacking one print layer and raising one layer again on the Z axis, moving it on the X and Y axes as above, and stacking the next print layer and going up one layer on the Z axis again.
  • the semi-finished product 40 having a three-dimensional three-dimensional shape of the will be molded.
  • the debinding process in the degreasing step (S500) is a plasticizer that is included in the polymer binder by immersing the semi-finished product 40 formed by three-dimensional printing in a solvent, as shown in FIG.
  • solvent degreasing step; S510 Process for removing paraffin wax and stearic acid as a lubricant by solvent degreasing (solvent degreasing step; S510), and heating the semi-finished product 40 in which solvent degreasing is completed stepwise to degrease polyethylene copolymer which is a binder included in the polymer binder.
  • the step of removing in a manner is performed step by step.
  • the semifinished product 40 formed by three-dimensional printing is immersed in a tetrahydrofuran or heptane solvent to the semi-finished product 40.
  • Paraffin wax and stearic acid in the polymer binder are dissolved in a tetrahydrofuran or heptane solvent and then removed. At this time, the solvent temperature is 25 ⁇ 35 °C proceeds the solvent degreasing step for 24 hours or more. If the temperature of the solvent is less than 25 ° C, as the paraffin wax and stearic acid are rapidly removed from the semifinished product 40, cracks are likely to occur in the semifinished product 40.
  • the rate (removal rate) of removing paraffin wax and stearic acid from the semi-finished product 40 for a predetermined time becomes low, and as the paraffin wax and stearic acid remaining in the hot degreasing process described later are rapidly removed. Cracks are easily generated in the semi-finished product 40, and a problem arises in that a solvent degreasing process takes a long time to achieve a target removal rate.
  • the semi-finished product 40 is immersed in a solvent at a temperature of 25 to 35 ° C.
  • the rate (removal rate) of removing paraffin wax and stearic acid is low, so that the paraffin wax and stearic acid remaining during the hot degreasing process are rapidly removed. Accordingly, cracks may be generated in the semi-finished product 40.
  • the hot air degreasing step (S530) for heating the semi-finished product 40 is carried out to polyethylene polyethylene which is a binder component of the polymer binder not dissolved in tetrahydrofuran or heptane solvent Remove coalescing
  • the remaining amount of paraffin wax and stearic acid that are not removed in the solvent degreasing step (S510) and remain in the semifinished product 40 are also removed.
  • the heating rate in the hot degreasing step S530 for removing the polymer binder from the semifinished product 40 is important. Therefore, as shown in the degreasing section of the time vs. temperature graph shown in FIG.
  • the reason for performing the pre-sintering step (S600), the semi-finished product 40 immediately after the degreasing step (S500) because the unstable state in which all of the polymer binder is removed for the transfer to the sintering furnace 500 This is because handling is difficult.
  • the semi-finished product 40 primarily pre-sintered in the pre-sintering step (S600) is a fine volume shrinkage of about 0.5 to 1.0% shrinkage compared to the semi-finished product 40 immediately after the degreasing step (S500).
  • the presintering step S600 of preliminarily presintering the semifinished product 40 may be omitted.
  • the semi-finished product 40 from which the polymer binder is removed in the degreasing step (S500) is extracted into a final steel product 50 as a sintered body through a sintering process in the sintering furnace 500 (sintering step; S700).
  • sintering step any one of general sintering, pressure sintering and hot hydrostatic sintering, or a combination of these can be used.
  • the semi-finished product 40 is sintered by sequentially performing normal sintering and hot hydrostatic sintering.
  • Hot hydrostatic sintering step (S730) is a process to improve the physical and mechanical properties of the semi-finished product 40, the chromium (Cr) and nickel (Ni) component contained in the austenitic stainless steel of the semi-finished product 40 In order to prevent volatilization, isotropically pressurized and heated with an inert gas such as argon (Ar), a homogeneous and dense steel product 50 can be obtained.
  • an inert gas such as argon (Ar)
  • the semi-finished product 40 that has been sintered is cooled to room temperature and extracted as the final steel product 50 (cooling step; S750).
  • the cooling step (S750) in order to prevent the volatilization of chromium (Cr) and nickel (Ni) contained in the austenitic stainless steel of the semi-finished product 40, as in the hot hydrostatic sintering step (S730) previously (Ar) The cooling is performed in an atmosphere.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the configuration of a three-dimensional printing apparatus according to the present invention.
  • the metal powder 20a may correspond to an austenitic stainless metal powder having a steel composition of SUS-304L or SUS-316L.
  • the metal powder 20a is C: 0.03% by weight or less, Si: 1.0% by weight or less, Mn: 1.0% by weight or less, Cr: 18-20% by weight, Ni: 10-12% by weight, Mo: It may correspond to an austenitic stainless metal powder composed of 0.2 wt% or less, P: 0.03 wt% or less, S: 0.03 wt% or less, balance Fe and other unavoidable impurities.
  • the binder may be a polyethylene copolymer
  • the plasticizer may be a paraffin wax
  • the lubricant may correspond to stearic acid.
  • Raw material supply unit 100 of the present invention is a hopper unit 110 for receiving the metal powder-containing composition 30 as a raw material from the outside; A barrel portion 140 having a transfer passage connected to the hopper portion 110; Injection means (130) positioned in the barrel portion (140) and for injecting the metal powder-containing composition (30) in the barrel portion (140); A heating part 150 for heating the metal powder-containing composition 30 inside the barrel part 140; And a die part 180 connecting the barrel part 140 and the first transfer pipe part 190. A feed pipe unit 170 connecting the barrel unit 140 and the die unit 180; And a driving unit 120 for driving the injection means 130; And a support part 141 supporting the barrel part 140 and the like.
  • the injection means 130 is a screw unit
  • the drive unit 120 is a device for providing power to the screw unit to rotate and / or linear movement, preferably a drive motor or rotor that can move left and right It is preferable that the driving motor is capable of additional left and right movement.
  • the injection means 130 may be in the form of a piston.
  • the metal powder-containing composition 30 is supplied to the raw material supply unit 100 in the form of pellets in which the metal powder 20a and the polymer binder 20b are kneaded, and the binder 20b is a binder, a plasticizer, a lubricant and It is desirable to include surfactants.
  • the pellet-form metal powder-containing composition 30, which is a kneaded mixture of the metal powder 20 a and the polymer binder 20 b, flows into the barrel part 140 through the hopper part 110, and the barrel part 140. Receiving heat from the inside, it is transferred to the first conveying pipe part 190 through the feed pipe part 170 and the die part 180 by the injection means 130 or the screw part.
  • the die portion 180 preferably has a passageway in which the inner diameter decreases from the feed pipe portion 170 side.
  • the first conveying pipe part 190 includes a heating coil part 191 for heating a material moving inside the first conveying pipe part 190, whereby the injected metal powder-containing composition 30 is in transit. It may not be cured and may be maintained in an optimal state until discharged from the 3D printing unit 200.
  • the temperature of the heating coil unit 191 is measured, and based on the measured temperature value, the inside of the first conveying pipe unit 190 in a predetermined temperature range according to the metal powder-containing composition 30.
  • a module for implementing temperature setting and feedback control for adjusting the temperature of the metal powder-containing composition 30 may be further provided.
  • Figure 7 is a view for explaining an embodiment of the three-dimensional printing unit 200 of the three-dimensional printing apparatus according to the present invention.
  • the three-dimensional printing unit 200 may include a first axis guide 251, a second axis guide 252, and a third axis guide 253; A plurality of carriages 260 movable along an axis in the first axis guide 251, the second axis guide 252, and the third axis guide 253; A plurality of support shafts 262 connected to the carriage 260; A moving part 230 connected to the plurality of support shafts 262; An extrusion head 210 fixed to the moving part 230 to extrude the supplied metal powder-containing composition 30; And a nozzle 210a for discharging the extruded metal powder-containing composition 30.
  • the apparatus includes a first shaft guide 251, a second shaft guide 252, and a third shaft guide 253 vertically supported on the base plate 250, the first shaft guide 251, An upper plate 254 for supporting these guides is provided above the second shaft guide 252 and the third shaft guide 253.
  • Each of the first axis guide 251, the second axis guide 252, and the third axis guide 253 is provided with a carriage 260 that can linearly move along the guide, and the carriage 260 has a connection portion. It is connected to each support shaft 262 through the 261.
  • the connection unit 261 includes a respective step motor, and each step motor receives a position value from a control unit (not shown) of the computing device, and the vertical position for each carriage 260.
  • the carriage 260 is linearly moved up and down to be located at.
  • the support shaft 262 may be hinged with respect to the carriage 260, and the support shaft 262 may be hinged with respect to the moving part 230.
  • the support shaft 262 is hingedly connected to the support shaft 262 by three carriages 260 which can be moved in such three axes and by the support shafts 262 which can be rotated and preferably hinged.
  • the moving unit 230 may move to a three-dimensional position designated by the computing device.
  • An extrusion head 210 and a nozzle 210a are coupled to the moving part 230, and injected by the nozzle 210a to eject the metal powder-containing composition 30 in a semi-flowing state. .
  • first transfer pipe part 190 is connected to the second transfer pipe part 280 through the pipe connection part 261 provided in the upper plate 254.
  • the second transfer pipe part 280 may also be provided with a heat source device to maintain the semi-flow state of the metal powder-containing composition 30.
  • FIG. 8 is a view for explaining a first embodiment of a configuration for driving the moving unit 230 of the three-dimensional printing unit 200 of the three-dimensional printing apparatus according to the present invention.
  • the second axis guide 252 and the third axis guide 253 may also be configured similarly to the first axis guide 251.
  • the first shaft guide 251 may be composed of two or more rods.
  • the carriage 260 may reciprocate up and down along the first shaft guide 251, and the movement of the carriage 260 is driven by driving means built in the connection part 261.
  • the first shaft guide 251 may be provided with a guide protrusion 251.1
  • the carriage 260 may be formed with a groove that may engage the guide protrusion 251.1.
  • the step motor is provided inside the carriage 260, and the carriage 260 is capable of reciprocating along the guide protrusion 251.1.
  • Such a configuration can enable three-axis control in a more simplified form than in the first embodiment.
  • FIG 10 is a view for explaining a third embodiment of the configuration for driving the moving unit 230 of the three-dimensional printing unit 200 of the three-dimensional printing apparatus according to the present invention.
  • the 10 illustrates in detail the components connected to the first axis guide 251.
  • the second axis guide 252 and the third axis guide 253 may also be configured similarly to the first axis guide 251.
  • FIG. 11 is a view for explaining the detailed configuration of the extrusion head 210 and the moving unit 230 of the three-dimensional printing apparatus according to the present invention.
  • the detailed configuration described below may be disposed inside the extrusion head 210, except for the configuration associated with the nozzle.
  • the three-dimensional printing unit 200 discharges the metal powder-containing composition 30 supplied from the first transfer pipe 190 to continuously stack the print layer in a three-dimensional shape of the object to be printed. To form the semi-finished product 40.
  • the discharge is preferably in the form of an extrusion, hereinafter with respect to the internal configuration of the moving part 230, the extrusion head 210, and the nozzle 210a for implementing such an extrusion form.
  • an extrusion hereinafter with respect to the internal configuration of the moving part 230, the extrusion head 210, and the nozzle 210a for implementing such an extrusion form.
  • the three-dimensional printing unit 200 the extruder step motor 252; A first gear part 233 connected to the rotating shaft of the extruder step motor 252; A second gear part 234 engaged with the first gear part 233, having a diameter larger than that of the first gear part 233, and having an extrusion roller 235 at the center of rotation; An extrusion bearing 236 which rotates while supporting the metal powder-containing composition 30 on the opposite side of the second gear 234 when the second gear 234 is rotated; And an extrusion feeding unit 237 for transferring the metal powder-containing composition 30 extruded by the extrusion roller 235 and the extrusion bearing 236 to the nozzle 210a side.
  • the moving flow path 231 is disposed in the moving part 230 and the extrusion head 210, and the metal powder-containing composition 30 moves in the moving part 230 and the extrusion head 210. It is formed, and is connected to the external 2nd transfer pipe part 280.
  • the apparatus further includes a nozzle heater 210b for heating the nozzle 210a based on the temperature value measured by the nozzle temperature measuring unit 210c.
  • the degreasing unit 300 includes a solvent degreasing unit 300 for extracting the binder 20b from the semifinished product 40.
  • Solvent degreasing unit 300 is a device for extracting a binder material, for example, paraffin wax and SA binder mixed in the semi-finished product 40 formed by the three-dimensional printing unit 200.
  • the degreasing unit 300 further includes a thermal degreasing unit 300 for degreasing in a vacuum or inert gas atmosphere, the thermal degreasing unit 300, the chamber unit 350; A vacuum device (321) for reducing the pressure in the chamber (350); Atmospheric gas charging unit 322 for charging the atmosphere gas into the chamber portion; And a temperature controller 340 for controlling the temperature of the chamber part.
  • the vacuum device 321 is a device that can maintain up to 10 -4 torr high vacuum in the initial atmospheric atmosphere to form a reducing atmosphere in the chamber 350, such a vacuum device 321 is a diffusion pump and / or rotary It includes a vacuum pump.
  • the atmosphere gas charging device 322 is a device for charging the carrier gas to create the atmosphere inside the chamber 350.
  • the thermal degreasing unit 300 is a trap trap for trapping the organic binder in a gaseous state in order to prevent the organic binder debinding in the desorption section to enter the vacuum pump or other accessories to cause a failure It may further comprise a group (330).
  • the thermal degreasing unit 300 includes a temperature control unit 340 for adjusting the temperature of the chamber unit 350 so that the chamber unit 350 is heated or cooled.
  • the sintering atmosphere gas filler 420 is a device for charging the carrier gas to create the atmosphere inside the sintering chamber 440.
  • the sintering unit 400 includes a sintering temperature control unit 430 for controlling the temperature of the sintering chamber unit 440 so that the chamber unit is heated or cooled.
  • thermal degreasing unit 300 and the sintering unit 400 are integrally formed.
  • degreasing may be performed by the thermal degreasing unit 300, and then sintering may be performed by other working setting values.
  • the raw material supply part 100 constituting the three-dimensional printing apparatus 10 of the present invention is a metal powder-containing composition 30, in which the metal powder 20a and the binder 20b are homogeneously mixed, into the three-dimensional printing part 200.
  • Supply the first conveying pipe part connected to the raw material supply part 100 so that the metal powder-containing composition 30 can be smoothly supplied to the extrusion head 210 of the three-dimensional printing part 200 in a molten state (
  • the heating coil 191 may be wound around the outer surface of the 190.
  • the three-dimensional printing unit 200 constituting the three-dimensional printing apparatus includes an extrusion head 210 for receiving and discharging the metal powder-containing composition 30 from the raw material supply unit 100 and an extrusion head 210 on one side. Is installed and controlled by an external control system (not shown), the moving part 230 moving in the X / Y / Z axis direction from the base plate 250 and the metal powder discharged from the extrusion head 210. It consists of the base plate 250 in which the containing composition 30 is laminated.
  • the extrusion head 210 discharges the metal powder-containing composition 30 through the nozzle (210a) to the surface of the base plate 250 by successively stacking the print layer in a three-dimensional shape of the object to be printed
  • the semifinished product 40 is molded.
  • the raw material supply unit 100 of the three-dimensional printing apparatus stores the metal powder-containing composition 30 introduced from the outside, and is heated by melting the heating unit 150 and melted by the heating unit 150. It may be composed of injection means for pressing the metal powder-containing composition 30 by injection. In the present invention, the injection means may be made of an air compressor to inject the metal powder-containing composition 30 of the barrel portion 140 by using air pressure by external control.
  • Containing composition 30 may be configured in the form of an extruder having a way to be injected into the extrusion head 210.
  • the raw material supply unit 100 of the three-dimensional printing apparatus 10 the metal powder-containing composition 30 is injected into a pellet form in which the metal powder (20a) and the binder (20b) is kneaded It may be configured in a form that is injected into the extrusion head 210 by the rotation of the means.
  • the degreasing part 300 removes the binder 20b from the semi-finished product 40 produced by the three-dimensional printing part 200.
  • the degreasing unit 300 can remove the binder component from the semi-finished product 40 by degreasing of any one of solvent degreasing, hot degreasing or catalytic degreasing, or a combination of these.

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Abstract

본 발명은 금속 분말이 함유된 원료를 3차원 프린팅을 위한 공급 원료로 이용하여 고강도성과 함께 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 3차원 프린팅 기술로 제조할 수 있도록 하는 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물과 이를 원료로 하는 3차원 프린팅 방법 및 3차원 프링팅 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명에 따른 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물은 3차원 프린터의 압출 헤드로 공급되는 원료로 사용되고, 금속 분말과 고분자 바인더를 혼련하고 분쇄 및 조립화(造粒化)함으로써 제조된다.

Description

3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물, 이를 원료로 하는 3차원 프린팅 방법 및 3차원 프링팅 장치
본 발명은 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물과 이를 원료로 하는 3차원 프린팅 방법 및 3차원 프링팅 장치에 관한 것으로, 금속 분말 함유 조성물을 이용하여 고강도성과 함께 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 3차원 프린팅 기술로 제조할 수 있도록 하는 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물과 이를 원료로 하는 3차원 프린팅 방법 및 3차원 프링팅 장치에 관한 것이다. 본 발명은 2015년 10월 2일 출원된 한국특허출원 제10-2015-0139141호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
3차원(3D, 3-Dimension) 프린터는 인쇄하고자 하는 대상에 대한 3차원 데이터를 이용하여, 그 대상과 동일 또는 유사한 형태를 갖도록 3차원으로 형상물을 성형하는 장비이다. 3차원 프린팅은 다양한 분야에서 사용이 확산되어 가고 있다. 이러한 3차원 프린터는 과거에는 대량생산 이전의 모델링이나 샘플 제작과 같은 용도로 활용되었으나, 최근에는 다품종 소량생산 제품을 중심으로 양산 가능한 제품의 성형에도 사용될 수 있는 기술적 기반이 조성됨에 따라, 다수의 부품으로 구성된 자동차 분야 외에도 의료용 인체모형이나 칫솔이나 면도기와 같은 가정용 제품 등의 다양한 모형을 만들기 위한 용도로 많은 제조 업체에서 사용하고 있다.
3차원 프린터의 제품성형 방식은 크게 대상 물체를 2차원의 평면형태로 성형한 것을 3차원으로 적층하면서 용융부착하여 형태를 만들어가는 이른바 첨가형과, 재료덩어리를 조각하듯이 절삭해서 형태를 만들어가는 절삭형이 있다. 그리고, 첨가형의 일종으로 열가소성 플라스틱으로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송롤을 통해 공급하고, 공급된 필라멘트를 작업대에 대하여 상대적으로 XYZ 세 방향으로 위치가 조절되는 3차원 이송기구에 장착된 압출 헤드의 노즐에서 용융시켜 배출함으로써 2차원 평면형태(프린트 층)를 플레이트 상에 반복적으로 적층하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상을 갖는 제품을 성형하는 필라멘트 용융 적층 성형방법이 있다.
현재 3D 프린팅에 가장 많이 쓰이는 소재는 빛을 받으면 굳는 광경화성 고분자 물질 '포토폴리머(photopolymer)'이다. 이는 전체 시장의 56%를 차지한다. 그 다음으로 인기 있는 소재는 녹고 굳는 것이 자유로운 고체 형태의 열가소성 플라스틱으로 시장의 40%를 점유하고 있다. 열가소성 플라스틱 소재의 형태로서 필라멘트(filament) 형태가 주로 이용되고 있는데, 현존하는 필라멘트 소재로는 폴리락트산(polylactic acid, PLA), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), HDPE(high density polyethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 등이 사용되고 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 플라스틱 소재는 경도가 낮은 문제로, 고강도성과 높은 정밀도를 요하는 금속 부품과 같은 강(鋼)제품을 성형하기에는 접합하지 아니하다는 한계가 존재한다.
본 발명의 목적은 금속 분말이 함유된 원료를 이용하여 3차원 프린팅을 수행함으로써, 기계적 물성이 우수하고 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 성형할 수 있도록 하는 3차원 프린터의 공급 원료로 이용되는 금속 분말 함유 조성물과 이를 원료로 하는 3차원 프린팅 방법 및 3차원 프링팅 장치를 제공하고자 함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 3차원 프린팅에 의해 성형된 금속 제품의 기계적 물성을 보장할 수 있도록 하는 금속 분말이 함유된 조성물을 제공하고자 함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 금속 분말이 함유된 원료를 이용하여 3차원 프린팅을 수행함으로써, 기계적 물성이 우수하고 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 성형할 수 있도록 하는 3차원 프린팅 방법과 3차원 프링팅 장치를 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물은, 3차원 프린터의 인쇄 헤드로 공급되는 원료로 사용되는 금속 분말 함유 조성물로서, 금속 분말과 고분자 바인더를 혼련하고 분쇄 및 조립화(造粒化)한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속 분말은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말에 해당할 수 있다.
이때, 상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.0중량% 이하, Cr: 18 ~ 20중량%, Ni: 10 ~ 12중량%, Mo: 0.2중량% 이하, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말일 수 있다.
이때, 상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.5중량% 이하, Cr: 16 ~ 18중량%, Ni: 11 ~ 14중량%, Mo: 2 ~ 3중량%, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말일 수 있다.
이때, 상기 고분자 바인더는 결합제, 가소제 및 윤활제를 포함할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물은, 상기 금속 분말이 90.0 ~ 94.0중량%, 상기 결합제가 3.0 ~ 5.0중량%, 상기 가소제가 2.5 ~ 3.5중량% 및 상기 윤활제가 0.5 ~ 1.5중량%를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 결합제는 폴리에틸렌(Polyethylene) 공중합체에 해당할 수 있다.
이때, 상기 가소제는 파라핀 왁스(Paraffin wax)에 해당할 수 있다.
이때, 상기 윤활제는 스테아린산(Stearic acid)에 해당할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물은, 상기 금속 분말과 상기 고분자 바인더가 170℃ 이상의 온도에서 혼련되고 펠렛타이저에 의해 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화되어 제조될 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법은, 금속 분말과 고분자 바인더를 혼련하고 분쇄 및 조립화(造粒化)하여 금속 분말 함유 조성물을 준비하는 원료 준비 단계; 상기 금속 분말 함유 조성물을 3차원 프린터의 압출 헤드로 공급하는 원료 공급 단계; 상기 압출 헤드의 노즐을 통해 용융된 금속 분말 함유 조성물을 플레이트의 표면으로 토출하여 상기 플레이트 상에 프린트 층을 적층하는 적층 단계; 상기 적층 단계를 반복 수행하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 상기 프린트 층을 연속으로 적층하여 반제품을 성형하는 성형 단계; 상기 성형 단계에서 성형된 반제품에서 상기 고분자 바인더를 제거하는 탈지 단계; 및 상기 탈지 단계에서 고분자 바인더가 제거된 반제품을 소결 및 냉각하여 상기 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상을 갖는 최종 강제품으로 추출하는 소결 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 원료 준비 단계에서는, 상기 금속 분말과 고분자 바인더를 혼련하고 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화하여 금속 분말 함유 조성물을 준비할 수 있다.
이때, 상기 금속 분말은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말에 해당할 수 있다.
이때, 상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.0중량% 이하, Cr: 18 ~ 20중량%, Ni: 10 ~ 12중량%, Mo: 0.2중량% 이하, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말에 해당할 수 있다.
이때, 상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.5중량% 이하, Cr: 16 ~ 18중량%, Ni: 11 ~ 14중량%, Mo: 2 ~ 3중량%, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말에 해당할 수 있다.
이때, 상기 원료 준비 단계에서는, 상기 금속 분말을 90.0 ~ 94.0중량%, 상기 결합제를 3.0 ~ 5.0중량%, 상기 가소제를 2.5 ~ 3.5중량%, 상기 윤활제를 0.5 ~ 1.5중량%를 혼련하고 분쇄 및 조립화하여 상기 금속 분말 함유 조성물을 준비할 수 있다.
이때, 상기 결합제는 폴리에틸렌(Polyethylene) 공중합체이고, 상기 가소제는 파라핀 왁스(Paraffin wax)이며, 상기 윤활제는 스테아린산(Stearic acid)에 해당할 수 있다.
이때, 상기 원료 준비 단계에서는, 상기 금속 분말과 고분자 바인더를 170℃ 이상의 온도에서 혼련할 수 있다.
이때, 상기 원료 공급 단계에서는, 상기 금속 분말 함유 조성물을 조립화한 펠렛을 용융한 후, 가압 사출하여 상기 3차원 프린터의 압출 헤드로 공급할 수 있다.
이때, 상기 원료 공급 단계에서는, 상기 금속 분말 함유 조성물을 조립화한 펠렛을 상기 3차원 프린터의 압출 헤드로 공급하여, 상기 압출 헤드에서 발생되는 열로 용융시킬 수 있다.
이때, 상기 탈지 단계는, 상기 반제품을 용매에 침지시켜 상기 고분자 바인더 중 상기 가소제와 윤활제를 제거하는 용매 탈지 단계; 및 상기 용매 탈지 단계에서 반제품을 가열하여 상기 고분자 바인더 중 상기 결합제를 제거하는 열간 탈지 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 용매 탈지 단계에서는, 상기 반제품을 25 ~ 35℃의 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran) 또는 헵탄(Heptane) 용매에 24시간 이상 침지시켜 상기 가소제와 윤활제를 제거할 수 있다.
이때, 상기 열간 탈지 단계에서는, 질소(N2) 분위기에서 500℃까지 단계적으로 승온하면서 상기 반제품을 가열하여 상기 결합제를 제거할 수 있다.
이때, 상기 소결 단계는, 진공 분위기에서 1,000℃까지 단계적으로 승온하면서 상기 반제품을 가열하는 일반 소결 단계; 1,000 내지 1,200bar의 아르곤(Ar) 분위기에서, 1,350℃까지 단계적으로 승온한 후 1,350℃에서 1 내지 3시간 동안 유지시켜 상기 반제품을 가열하는 열간 정수압 소결 단계; 및 상기 반제품을 상온까지 냉각하여 최종 강제품을 추출하는 냉각 단계를 포함할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법은, 상기 소결 단계 이전에, 상기 탈지 단계에서 상기 고분자 바인더가 제거된 반제품을 진공 분위기에서 900℃까지 단계적으로 승온하면서 가열하는 가소결 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 장치는, 외부로부터 금속 분말 함유 조성물을 공급받고, 공급받은 금속 분말 함유 조성물을 사출하는 원료 공급부; 상기 원료 공급부로부터 사출된 금속 분말 함유 조성물을 이송시키는 제1이송파이프부; 상기 제1이송파이프로부터 공급받은 금속 분말 함유 조성물을 토출하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린트층을 연속으로 적층하여 반제품을 성형하는 3차원 프린팅부; 상기 3차원 프린팅부에서 성형된 반제품으로부터 바인더를 제거하는 탈지부; 및 상기 3차원 프린팅부에서 성형된 반제품을 소결하는 소결부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 원료 공급부는, 외부로부터 금속 분말 함유 조성물을 공급받는 호퍼부; 상기 호퍼부와 연결된 이송통로를 구비하는 배럴부; 상기 배럴부 내부에 위치하고, 배럴부 내부의 금속 분말 함유 조성물을 사출시키는 사출수단; 상기 배럴부 내부의 금속 분말 함유 조성물을 가열하는 히팅부; 및 상기 배럴부와 상기 제1이송파이프를 연결하는 다이부;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1이송파이프부는 상기 제1이송파이프부 내부에서 이동하는 물질을 가열하는 히팅코일부를 구비할 수 있다.
이때, 상기 3차원 프린팅부는, 제1축 가이드, 제2축 가이드, 및 제3축 가이드; 상기 제1축 가이드, 제2축 가이드, 및 제3축 가이드에서 축을 따라 이동할 수 있는 복수의 케리지; 상기 케리지와 연결되는 복수의 지지축; 상기 복수의 지지축에 연결되는 이동부; 상기 이동부에 고정되어, 공급된 금속 분말 함유 조성물을 압출시키는 압출헤드; 상기 압출된 금속 분말 함유 조성물을 토출하는 노즐을 포함할 수 있다.
이때, 상기 3차원 프린팅부는, 제1축 가이드, 제2축 가이드, 및 제3축 가이드; 상기 제1축 가이드, 제2축 가이드, 및 제3축 가이드 각각에 고정되고, 상기 제1축 가이드, 제2축 가이드, 및 제3축 가이드에 평행하는 복수의 벨트; 상기 복수의 벨트를 따라 이동할 수 있는 복수의 케리지부; 상기 케리지와 연결되는 복수의 지지축; 상기 복수의 지지축에 연결되는 이동부; 상기 이동부에 고정되어, 공급된 금속 분말 함유 조성물을 압출시키는 압출헤드; 및 상기 압출된 금속 분말 함유 조성물을 토출하는 노즐을 포함할 수 있다.
이때, 상기 지지축은 상기 케리지에 대하여 힌지운동을 할 수 있고, 상기 지지축은 상기 이동부에 대하여 힌지운동을 할 수 있다.
이때, 상기 탈지부는, 상기 반제품으로부터 바인더를 추출하는 용매탈지부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 열탈지부는, 챔버부; 상기 챔버부 내의 압력을 감소시키는 진공장치; 상기 챔버부 내부에 분위기 가스를 장입하는 분위기가스장입장치; 및 상기 챔버부의 온도를 조절하는 온도조절부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 소결부는, 소결챔버부; 상기 소결챔버부 내의 압력을 감소시키는 소결진공장치; 상기 소결챔버부 내부에 분위기 가스를 장입하는 소결분위기가스장입기; 및 상기 소결챔버부의 온도를 조절하는 소결온도조절부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 원료 공급부는, 상기 금속 분말 함유 조성물을 금속 분말과 바인더를 혼련한 펠렛(Pellet) 형태로 원료 공급부로 공급하고, 상기 바인더는 결합제, 가소제, 윤활제 및 계면활성제를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 장치는, 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 상부에 이동 가능하게 설치되는 이동부; 상기 이동부의 일측에 설치되며 상기 베이스 플레이트 상에 금속 분말과 바인더를 포함하는 금속 분말 함유 조성물을 토출하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린트 층을 연속으로 적층하여 반제품을 성형하는 압출헤드; 상기 압출헤드에 상기 금속 분말 함유 조성물을 공급하는 원료 공급부; 상기 반제품에서 상기 바인더를 제거하는 탈지부; 및 상기 바인더가 제거된 반제품을 소결하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상을 갖는 완제품을 추출하는 소결부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 원료 공급부는, 상기 금속 분말 함유 조성물을 필라멘트(Filament) 형태로 상기 압출헤드에 공급할 수 있다.
이때, 상기 원료 공급부는, 외부로부터 투입된 상기 금속 분말 함유 조성물을 가열하여 용융시키는 가열부; 상기 가열부에 의해 용융된 금속 분말 함유 조성물을 가압하여 사출시키는 피스톤부; 상기 피스톤부에 압력을 전달하는 가압부; 및 상기 가열부로부터 토출되는 금속 분말 함유 조성물을 상기 압출헤드에 필라멘트 형태로 연속적으로 공급하는 가이드부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 가압부는 공기압을 상기 피스톤부에 전달할 수 있다.
이때, 상기 원료 공급부는, 상기 금속 분말 함유 조성물을 상기 금속 분말과 바인더를 혼련한 펠렛(Pellet) 형태로 상기 압출헤드에 공급할 수 있다.
이때, 상기 바인더는 결합제, 가소제, 윤활제 및 계면활성제를 포함할 수 있다.
이때, 원료는 기 금속 분말과 고분자 바인더를 혼련하고 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화하여 금속 분말 함유 조성물일 수도 있다.
이때, 상기 금속 분말은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말에 해당할 수 있다.
이때, 상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.0중량% 이하, Cr: 18 ~ 20중량%, Ni: 10 ~ 12중량%, Mo: 0.2중량% 이하, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말에 해당할 수 있다.
이때, 상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.5중량% 이하, Cr: 16 ~ 18중량%, Ni: 11 ~ 14중량%, Mo: 2 ~ 3중량%, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말에 해당할 수 있다.
이때, 상기 원료 준비 단계에서는, 상기 금속 분말을 90.0 ~ 94.0중량%, 상기 결합제를 3.0 ~ 5.0중량%, 상기 가소제를 2.5 ~ 3.5중량%, 상기 윤활제를 0.5 ~ 1.5중량%를 혼련하고 분쇄 및 조립화하여 상기 금속 분말 함유 조성물을 준비할 수 있다.
이때, 상기 결합제는 폴리에틸렌(Polyethylene) 공중합체이고, 상기 가소제는 파라핀 왁스(Paraffin wax)이며, 상기 윤활제는 스테아린산(Stearic acid)에 해당할 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속 분말이 함유된 원료를 이용하여 3차원 프린팅을 수행함으로써, 기계적 물성이 우수하고 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 성형할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 3차원 프린팅에 의해 성형된 금속 제품의 기계적 물성을 보장할 수 있도록 하는 금속 분말이 함유된 원료와, 이를 이용한 3차원 프린팅 방법 및 3차원 프링팅 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물을 이용하여 3차원 프린팅을 수행하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법에서 탈지, 가소결 및 소결 단계를 보다 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법의 탈지, 소결 및 냉각 구간에서의 시간 대 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 원료 공급부의 측단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 3차원 프린팅부의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 3차원 프린팅부의 이동부를 구동하는 구성의 제1 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 3차원 프린팅부의 이동부를 구동하는 구성의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 3차원 프린팅부의 이동부를 구동하는 구성의 제3 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 압출헤드와 이동부의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 탈지부와 소결부 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 금속 분말 함유량에 따른 3차원 프린팅 제품의 소결 전/후에 있어서 수축 정도를 비교한 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물(30)과 3차원 프린팅 장치(10)를 이용하여 3차원 프린팅을 수행하는 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물(30)은 금속 분말(20a)와 고분자 바인더(20b)를 혼련기(Kneading machine, 500)를 통해 고온으로 균질하게 혼련하고 분쇄기 또는 펠렛타이저를 이용하여 분쇄 및 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화(造粒化)하여 제조한다. 이렇게 제조된 금속 분말 함유 조성물(30)은 3차원 프린팅 장치(10)에서 3차원 인쇄 방식으로 적층되어 강(鋼)제품을 제조하기 위해 사용되는 공급 원료로서 3차원 프린팅부(200)의 압출헤드(210)로 공급된다. 여기서, 금속 분말 함유 조성물(30)은 3차원 프린팅부(200)의 압출헤드(210)에 원활하게 공급될 수 있도록, 원료 공급부(100)에 의해 용융 및 가압 사출되어 상기 압출헤드(210)로 공급되는 것이 바람직하다. 압출헤드(210)로 공급된 금속 분말 함유 조성물(30)은 핫멜트 접착제 건(gun)과 유사한 방식으로 베이스 플레이트(250)의 표면으로 토출되어 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린트 층이 연속적으로 적층됨으로써 반제품(半製品, 40)을 형성하게 된다. 이렇게 성형된 반제품(40)은 탈지부(300)에서 용매 및 열간 탈지 방식에 의해 고분자 바인더 성분이 제거되고, 소결부(400)에서 고온으로 소결된 후 상온까지 냉각되어 고밀도의 금속 소결체인 최종 강(製)제품(50)으로 추출되는 과정이 이루어진다.
3차원 프린팅 방식으로 고강도의 강(製)제품을 성형하기 위해서, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 3차원 프린팅의 원료로서, 금속 분말을 고분자 바인더로 응집시킨 조성물을 제시한다. 특히, 이러한 조성물을 제조하기 위해 본 발명에서는 금속 분말로서 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강(鋼) 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스강이 분체화(粉體化)된 금속 분말을 이용한다.
오스테나이트계 스테인레스강은 별명 Cr-Ni계 스테인레스강으로 불리고, Fe에 Cr과 Ni을 첨가한 것이다. 오스테나이트계 스테인레스강의 주성분은 Fe, Cr, Ni로 이루어지고, 그 외에는 다음의 표 1에 나타내는 각종의 첨가물이 있다.
다음의 표 1은 본 발명에서 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물을 제조하기 위해 사용되는 금속 분말의 성분인 오스테나이트계 스테인레스강의 바람직한 예를 나타낸 것이고, 본 발명의 실시의 형태는 이 예만으로 한정하는 것은 아니다.
성분 C Si Mn Cr Ni Mo P S 기타
조성 1(질량 %) 0.03 이하 1.0 이하 1.0 이하 18 ~ 20 10 ~ 12 0.2 이하 0.03 이하 0.03 이하 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물
조성 2(질량 %) 0.03 이하 1.0 이하 1.5 이하 16 ~ 18 11 ~ 14 2 ~ 3 0.03 이하 0.03 이하 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물
탄소(C) : 0.03중량％ 이하
탄소(C)는 내식성을 개선하기 위해 첨가되는 크롬(Cr)과 반응하여, 입계에 크롬(Cr) 탄화물로서 석출하기(precipitate chromium carbide in the grain boundary) 때문에 내식성의 저하를 초래하는 경우가 있다. 따라서, 탄소(C)의 함유량은 적을수록 바람직하고, 탄소(C)가 0.03중량％ 이하이면, 내식성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 탄소(C)의 함유량은0.03중량％ 이하가 바람직하다.
규소( Si ) : 1.0중량％ 이하
규소(Si)는 탈산을 위해 유효한 원소이며, 용제(溶製) 단계에서 첨가된다. 그러나 과잉하게 함유시키면 탈지 및 소결 후 추출된 강(鋼)제품이 경질화(causes hardening of the stainless steel sheet)하여, 연성이 저하되는(decrease ductility) 경우가 있기 때문에, 규소(Si)의 함유량은 1.0중량％ 이하가 바람직하다.
망간(Mn) : 1.5중량％ 이하
망간(Mn)은 불가피적으로 혼입된 황(S)과 결합하여, 스테인리스강에 고용(固溶)한 황(S)을 저감하는 효과를 갖고, 황(S)의 입계편석을 억제(suppresses segregation of sulfur at the grain boundary)하여, 탈지 및 소결 후 추출된 강(鋼)제품의 균열을 방지하는 데에(prevents cracking of the steel sheet during hot rolling) 유효한 원소이다. 그러나, 1.5중량％를 초과하여 첨가해도 첨가하는 효과의 증가는 거의 없다. 오히려, 과잉하게 첨가함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 망간(Mn)의 함유량은 1.5중량％ 이하가 바람직하다.
니켈( Ni ) : 10 ~ 14중량％
니켈(Ni)은 오스테나이트상을 안정화시키는 원소이며, 오스테나이트계 스테인리스를 제조하는 경우에 첨가한다. 그 때, 니켈(Ni)의 함유량이 14중량％를 초과하면, 니켈(Ni)을 과잉하게 소비함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 니켈(Ni)의 함유량은 14중량％ 이하가 바람직하다.
몰리브덴( Mo ) : 3중량％ 이하
몰리브덴(Mo)은 스테인리스강의 틈 부식 등의 국부 부식을 억제하는 데에 유효한 원소이다. 따라서, 강(鋼)제품이 가혹한 환경에서 사용되는 경우에는 몰리브덴(Mo)을 첨가하는 것이 유효하다. 그러나, 3중량％를 초과하여 첨가하면, 스테인리스강이 취화(embrittlement)되어 생산성이 저하되는 경우가 있고, 몰리브덴(Mo)을 과잉하게 소비함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 몰리브덴(Mo)의 함유량은 3중량％ 이하가 바람직하다.
인(P) : 0.03중량％ 이하
인(P)은 연성의 저하를 초래하기 때문에 낮은 쪽이 바람직하지만, 0.03중량％ 이하이면 연성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 인(P)의 함유량은 0.03중량% 이하가 바람직하다.
황(S) : 0.03중량％ 이하
황(S)은 망간(Mn)과 결합하여 황화망간(MnS)을 형성함으로써 내식성을 저하시키는 원소이며 낮은 쪽이 바람직하다. 0.03중량％ 이하이면 내식성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 황(S)의 함유량은 0.03중량％ 이하가 바람직하다.
잔부는 철(Fe) 및 불가피적 불순물이다.
본 발명에서, 표 1의 조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비를 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말은 입자직경(D50) 9.5 ~ 11㎛의 크기를 갖는 금속 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 최종 완성품인 강(製)제품의 밀도를 높이고, 분말의 표면적이 작아 고분자 바인더 함량을 줄일 수 있으며 탈지가 원할하게 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 소결 시 균일한 수축을 유지하도록 하기 위해서, 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말은 구(球)형으로 분체화(粉體化)된 금속 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말을 제조하는 방식은 액체화된(과열된) 오스테나이트계 스테인레스 금속 스트림을 미세한 액적(droplet)으로 비산(飛散)시키고 그 다음 입자직경(D50) 9.5 ~ 11㎛의 구형 고체입자로 냉각하는 분무 공정에 의해 제조될 수 있다.
조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비로 조성되고 9.5 ~ 11㎛의 입자직경(D50)으로 구형 분체화된 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말은 결합제, 가소제 및 윤활제를 포함하는 고분자 바인더와 혼련된다. 이때, 금속 분말 함유 조성물의 전체 중량에 대해 오스나이트계 스테인레스 금속 분말이 90.0 ~ 94.0중량%로 포함되고, 고분자 바인더가 6.0 ~ 10.0중량%로 포함될 수 있다. 오스나이트계 스테인레스 금속 분말이 금속 분말 함유 조성물의 전체 중량에 대해 90.0 중량% 미만이면, 후술하는 탈지 공정에 의해 다량의 고분자 바인더가 제거되어 반제품(40)의 형상이 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 유지되지 아니하고, 94.0 중량%를 초과하게 되면, 고분자 바인더가 소량으로 첨가되어 3차원 프린팅을 진행하기 위한 공급 원료로서의 응집력을 확보하기 어렵다.
결합제는 구형 분체화된 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말 간의 결합력이 낮아 3차원 프린팅 과정에서 필요한 응집력을 확보하기 위해 첨가되는 주쇄(backbone) 바인더로서, 폴리스틸렌(Polystyrene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene-vinylacetate), 에틸렌에틸아크릴레이트(Ethylene-ethylacrylate), 메틸메타아크릴레이트(Methal-methacrylate), 부틸메타아크릴레이트(Butyl-methacrylate)으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 공중합체가 포함할 수 있다. 특히, 오스나이트계 스테인레스 금속 분말에 첨가되는 결합제로는 폴리에틸렌 공중합체인 것이 바람직한데, 폴리에틸렌 공중합체는 고온에서 제거되는 한편, 열간 탈지 공정을 거친 강(鋼)제품이 형상을 유지시킨다. 상기 폴리에틸렌 공중합체는 금속 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 3 내지 5중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
가소제는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말과 결합제의 결합으로 응집된 조성물에 첨가되어 3D 프린팅 시 성형 가공을 용이하게 하는 유기물질로서, 마이크로크리스탈라인 왁스(Microcrystalline wax), 파라핀 왁스(Paraffin wax), 몬탄 왁스(Montan wax) 등이 이용될 수 있다. 특히, 본 발명에서는 가소제로서 비교적 저온에서도 고분자 바인더 간의 결합력을 낮춰 연성을 높일 수 있는 파라핀 왁스(Paraffin Wax)를 첨가한다. 상기 파라핀 왁스는 금속 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 2.5 내지 3.5중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
윤활제는 금속 분말 함유 조성물이 원료 공급기 내에서 용융된 후 가압 사출 시에 표면 미끄럼성을 좋게 하여 공급 유도관을 경유하는 3차원 프린터(200)의 압출 헤드(210)로의 공급이 원할하게 이루지도록 첨가하는 성분으로서, 스테아린산(Stearic acid), 오레인산(Oleic acid), 팔미틴산(Palmitic acid), 리노레인산(Linolenic acid) 등이 이용될 수 있으나, 본 발명에서는 스테아린산을 첨가한다. 상기 스테아린산은 금속 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 0.5 내지 1.5중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
상술한 조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비를 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말과, 고분자 바인더를 고분자 바인더에 포함된 결합제인 폴리에틸렌 공중합체가 완전히 용융되는 온도인 170℃의 고온에서 1시간 동안 균일하게 혼련한 후, 이를 상온까지 냉각한다. 이렇게 가열 혼련 후 냉각된 혼합물은 분쇄기 또는 펠렛타이저에서 분쇄되고 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화(造粒化)됨으로써, 금속 분말 함유 조성물이 최종적으로 제조된다.
이하에서는 상술한 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하여 3차원 프린팅 방식으로 강(鋼)제품을 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법은, 먼저 금속 분말과 고분자 바인더를 혼련한 후, 이를 분쇄 및 조립화(造粒化)하여 금속 분말 함유 조성물을 준비한다(원료 준비 단계; S100). 상기 S100 단계에서 금속 분말 함유 조성물의 원료가 되는 금속 분말은 상술한 조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비를 갖는 SUS-304L 또는 SUS-316L 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 원료 준비 단계(S100)에서는 금속 분말과 고분자 바인더를 균질하게 혼련한 후, 이를 상온까지 냉각한다. 이때, 고분자 바인더에 포함된 결합제인 폴리에틸렌 공중합체가 용융되어 금속 분말과 균질하게 혼련될 수 있도록, 폴리에틸렌 공중합체가 완전히 용융되는 온도인 170℃ 이상의 고온에서 1시간 동안 혼련 공정이 진행된다. 이렇게 가열 혼련된 후 냉각된 혼합물을 분쇄기 또는 펠렛타이저를 이용하여 분쇄하는 한편, 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화(造粒化)함으로써, 후술하는 3차원 프린팅 공정에서의 공급 원료가 되는 금속 분말 함유 조성물을 제조된다.
그리고, 원료 준비 단계(S100)에서 준비된 금속 분말 함유 조성물을 3차원 프린터(300)의 압출 헤드(310)로 공급한다(원료 공급 단계; S200). 상기 원료 공급 단계(S200)에서 금속 분말 함유 조성물(30)은 3차원 프린터(300)의 압출 헤드(310)로 원할하게 공급될 수 있도록, 원료 공급기(200)에 의해 용융 및 가압 사출되어 압출 헤드(310)로 공급되는 것이 바람직하다. 그러나, 경우에 따라 상기 원료 공급 단계(S200)에서는 금속 분말 함유 조성물을 조립화한 펠렛을 용융 및 가압 사출하는 원료 공급기(200)를 거치지 않고, 직접 3차원 프린터(300)의 압출 헤드(310)로 공급하는 한편, 압출 헤드(310) 자체에서 발생되는 열로 금속 분말 함유 조성물 펠렛을 용융시키도록 구성할 수 있다.
그 다음으로, 3차원 프린터(300)의 압출 헤드(310)의 노즐을 통해 원료 공급 단계(S200)에서 공급된 용융된 상태의 금속 분말 함유 조성물을 플레이트(330)로 토출하여 베이트 플레이트(330) 상에 프린트 층을 적층한다(적층 단계; S300). 이러한 적층 단계(S300)를 반복적으로 수행하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상을 갖도록 프린트 층을 연속으로 적층함으로써 반제품(40)을 성형한다(성형 단계; S400). 상기 적층 단계(S300) 및 성형 단계(S400)에서는 3차원 프린터(300)의 압출 헤드(310)가 플레이트(330)의 상면에 대해 X축 및 Y축으로 움직이며 용융된 금속 분말 함유 조성물을 토출하여 하나의 프린트 층을 쌓고 다시 Z축으로 한 층을 올린 뒤 상기와 같이 X축과 Y축으로 움직이며 다음 프린트 층을 쌓고 다시 Z축으로 한 층이 올라가며 연속적으로 프린팅하는 방식으로 인쇄하고자 하는 대상의 입체적인 3차원 형상을 갖는 반제품(40)을 성형하게 된다.
그리고, 상기 성형 단계(S400)에서 3차원 프린팅에 의해 성형이 완료된 반제품(40)을 탈지기(400)로 이송하고, 탈지기(400) 내에서 열을 가하여 반제품(40) 내에 함유되어 있는 고분자 바인더 성분을 제거한다(탈지 단계; S500). 보다 구체적으로, 상기 탈지 단계(S500)에서의 탈지(Debinding) 공정은 도 3에 도시된 바와 같이, 3차원 프린팅에 의해 성형된 반제품(40)을 용매에 침지시켜 고분자 바인더에 포함되어 있던 가소제인 파라핀 왁스와 윤활제인 스테아린산을 용매 탈지 방식으로 제거하는 공정(용매 탈지 단계; S510)과, 용매 탈지가 완료된 반제품(40)을 단계적으로 가열하여 고분자 바인더에 포함되어 있던 결합제인 폴리에틸렌 공중합체를 열간 탈지 방식으로 제거하는 공정(열간 탈지 단계; S530)이 단계적으로 수행된다. 먼저, 탈랍(Dewaxing) 공정에 해당하는 용매 탈지 단계(S510)에서 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran) 또는 헵탄(Heptane) 용매에 3차원 프린팅에 의해 성형이 완료된 반제품(40)을 침지시켜 반제품(40)에 함유되어 있는 고분자 바인더 중 파라핀 왁스와 스테아린산을 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran) 또는 헵탄(Heptane) 용매에 용해시켜 1차적으로 제거한다. 이때, 용매의 온도는 25 ~ 35℃로 24시간 이상 용매 탈지 공정을 진행한다. 용매의 온도가 25℃ 미만이면 반제품(40)으로부터 파라핀 왁스와 스테아린산이 급격하게 제거됨에 따라 반제품(40)에 크랙(Crack)이 발생되기 쉽다. 용매의 온도가 35℃를 초과하면 일정 시간 동안에 반제품(40)으로부터 파라핀 왁스와 스테아린산이 제거되는 속도(제거율)가 낮게 되어, 후술하는 열간 탈지 공정 중에 잔류하는 파라핀 왁스와 스테아린산이 급격하게 제거됨에 따라 반제품(40)에 크랙(Crack)이 발생되기 쉽고, 목표하는 제거율을 달성하기 위해서 용매 탈지 공정이 장시간 소요되는 문제가 발생한다. 또한, 25 ~ 35℃ 온도의 용매에 24시간 미만으로 반제품(40)을 침지시키면 파라핀 왁스와 스테아린산이 제거되는 속도(제거율)가 낮게 되어 열간 탈지 공정 중에 잔류하는 파라핀 왁스와 스테아린산이 급격하게 제거됨에 따라 반제품(40)에 크랙(Crack)이 발생될 수 있다.
용매 탈지 단계(S510)가 완료된 후, 반제품(40)을 가열하는 열간 탈지 단계(S530)를 진행하여 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran) 또는 헵탄(Heptane) 용매에 용해되지 않은 고분자 바인더의 결합제 성분인 폴리에틸렌 공중합체를 제거한다. 상기 열간 탈지 단계(S530)에서는, 용매 탈지 단계(S510)에서 제거되지 않고 반제품(40)에 남아 있는 잔량의 파라핀 왁스와 스테아린산도 함께 제거된다. 반제품(40)으로부터 고분자 바인더의 제거하기 위한 열간 탈지 단계(S530)에서의 가열 과정은 승온 속도가 중요하다. 따라서, 도 4에 도시된 시간 대 온도 그래프의 탈지 구간에 나타낸 바와 같이, 500℃까지 단계적으로 승온하고, 파라핀 왁스, 스테아린산, 폴리에틸렌 공중합체 각각이 제거되는 온도 구간에 대하여 승온 속도를 낮게 유지하고, 온도 유지시간을 길게 설정하여 반제품(40)에서 파라핀 왁스, 스테아린산 및 폴리에틸렌 공중합체가 보다 확실하게 제거될 수 있도록 한다. 열간 탈지 단계(S530)를 진행하는 총 소요 시간은 40시간 이상이 바람직하며, 반제품(40)에 함유된 오스테나이트계 스테인레스 금속이 산화되는 것을 최대한 방지하기 위해 질소(N2) 분위기에서 열간 탈지를 진행하는 것이 바람직하다.
후술하는 소결 단계(S700)를 진행하기 위해 탈지 단계(S500)를 거친 반제품(40)을 소결로(500)로 이송하기에 앞서, 가소결하는 단계(가소결 단계; S600)를 진행할 수 있다. 가소결 단계(S600)에서는 진공 분위기에서 900℃까지 단계적으로 승온하면서 고분자 바인더가 제거된 반제품(40)을 가열하여 1차적으로 가소결한다. 본격적인 소결에 앞서, 가소결 단계(S600)를 수행하는 이유는, 탈지 단계(S500)를 거친 직후의 반제품(40)의 경우 고분자 바인더가 모두 제거된 불안정한 상태이므로 소결로(500)로의 이송을 위한 취급이 어렵기 때문이다. 가소결 단계(S600)에서 1차로 가소결된 반제품(40)은 탈지 단계(S500)를 거친 직후의 반제품(40)에 비해 수축률 약 0.5 내지 1.0%의 미세한 부피 수축이 발생한다. 반제품(40)의 이송 없이 탈지 단계(S500)와 소결 단계(S600)가 하나의 장소에서 진행되는 경우, 반제품(40)을 1차적으로 가소결하는 가소결 단계(S600)는 생략될 수 있다.
탈지 단계(S500)에서 고분자 바인더가 제거된 반제품(40)은 소결로(500)에서 소결(Sintering) 공정을 거쳐 소결체로서의 최종적인 강(鋼)제품(50)으로 추출된다(소결 단계; S700). 소결 공정에서는 일반 소결, 가압 소결, 열간 정수압 소결 중 어느 하나의 소결방식이나, 이들을 조합한 소결 방식을 이용할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이 일반 소결과 열간 정수압 소결을 순차적으로 진행하여 반제품(40)을 소결한다. 먼저, 탈지 단계(S500) 또는 가소결 단계(S600)를 거친 반제품(40)에 대하여 진공 분위기에서 1,000℃까지 단계적으로 승온 가열하면서 일반 소결을 진행한다(일반 소결 단계; S710). 1,000℃까지 일반 소결이 진행된 이후, 1,000 내지 1,200bar의 압력 하에 아르곤(Ar) 분위기에서 1,350℃까지 단계적으로 승온 가열하면서 열간 정수압 소결을 진행한다(열간 정수압 소결 단계; S730). 특히, 열간 정수압 소결 단계(S730)에서는 아르곤(Ar) 분위기에서 1,350℃까지 승온한 후 1,350℃ 온도에서 1 내지 3시간 동안 유지시켜 소결 과정을 진행한다. 열간 정수압 소결 단계(S730)는 반제품(40)의 물리적, 기계적 특성을 향상시키기 위해 실시하는 공정으로서, 반제품(40)의 오스테나이트계 스테인레스강에 포함되어 있는 크롬(Cr)과 니켈(Ni) 성분의 휘발을 방지하기 위해서 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체에 의해 등방적으로 가압 및 가열함으로써, 균질하고 밀도가 높은 강(鋼)제품(50)을 얻을 수 있다.
열간 정수압 소결 단계(S730)에서 소결이 완료된 반제품(40)은 상온까지 냉각되어 최종적인 강(鋼)제품(50)으로서 추출된다(냉각 단계; S750). 상기 냉각 단계(S750)에서는 앞서 진행되는 열간 정수압 소결 단계(S730)과 마찬가지로 반제품(40)의 오스테나이트계 스테인레스강에 포함되어 있는 크롬(Cr)과 니켈(Ni) 성분의 휘발을 방지하기 위해서 아르곤(Ar) 분위기에서 냉각을 진행한다.
이하에서는 상술한 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하여 3차원 프린팅 방식으로 강(鋼)제품을 제조하는 장치에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1 및 5에 도시된 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물을 이용한 3차원 프린팅 장치(10)의 구성도를 참조하면, 금속 분말 함유 조성물을 이용한 3차원 프린팅 장치(10)는, 금속 분말(20a)와 고분자 바인더(20b)가 혼련기(500)에 의해 균질하게 혼합되어 구성되는 금속 분말 함유 조성물(30)을 3차원 프린팅부(200)의 압출헤드(210)로 공급하는 원료 공급부(100)와, 상기 원료 공급부(100)로부터 공급된 금속 분말 함유 조성물(30)을 원료로 하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린팅을 수행하는 3차원 프린팅부(200)와, 상기 3차원 프린팅부(200)에 의해 제작된 반제품(40)에서 바인더 성분을 제거하는 탈지부(300)와, 상기 탈지부(300)에 의해 바인더 성분이 제거된 반제품(40)을 소결하여 완제품을 추출하는 소결부(400)로 구성된다.
본 발명에서는, 금속 분말(20a)과 혼련되어 금속 분말 함유 조성물(30)을 구성하는 고분더 바인더(20b)는 결합제, 가소제, 윤활제 및 계면활성제를 포함할 수 있다.
상기 금속 분말(20a)은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말에 해당할 수 있다. 본 발명에서는, 상기 금속 분말(20a)은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.0중량% 이하, Cr: 18 ~ 20중량%, Ni: 10 ~ 12중량%, Mo: 0.2중량% 이하, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말에 해당할 수 있다. 본 발명에서는, 상기 금속 분말(20a)은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.5중량% 이하, Cr: 16 ~ 18중량%, Ni: 11 ~ 14중량%, Mo: 2 ~ 3중량%, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말에 해당할 수 있다.
본 발명에서는, 금속 분말(20a)을 90.0 ~ 94.0중량%, 결합제를 3.0 ~ 5.0중량%, 가소제를 2.5 ~ 3.5중량%, 윤활제를 0.5 ~ 1.5중량%를 혼련하고 분쇄 및 조립화하여 상기 금속 분말 함유 조성물(30)을 준비할 수 있다. 본 발명에서는, 상기 결합제는 폴리에틸렌(Polyethylene) 공중합체이고, 상기 가소제는 파라핀 왁스(Paraffin wax)이며, 상기 윤활제는 스테아린산(Stearic acid)에 해당할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치(10)는, 외부로부터 고분자 바인더(20b)를 포함하는 금속 분말 함유 조성물(30)을 공급받고, 공급받은 금속 분말 함유 조성물(30)을 사출하는 원료 공급부(100); 상기 원료 공급부(100)로부터 사출된 금속 분말 함유 조성물(30)을 이송시키는 제1이송파이프부(190); 상기 제1이송파이프로부터 공급받은 금속 분말 함유 조성물(30)을 토출하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린트층을 연속으로 적층하여 반제품(40)을 성형하는 3차원 프린팅부(200); 상기 3차원 프린팅부(200)에서 성형된 반제품(40)으로부터 바인더를 제거하는 탈지부(300); 및 상기 3차원 프린팅부(200)에서 성형된 반제품(40)을 소결하는 소결부(400)를 포함한다.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 원료 공급부(100)의 측단면도이다. 본 발명의 원료 공급부(100)는 외부로부터 금속 분말 함유 조성물(30)을 원료로 공급받는 호퍼부(110); 상기 호퍼부(110)와 연결된 이송통로를 구비하는 배럴부(140); 상기 배럴부(140) 내부에 위치하고, 배럴부(140) 내부의 금속 분말 함유 조성물(30)을 사출시키는 사출수단(130); 상기 배럴부(140) 내부의 금속 분말 함유 조성물(30)을 가열하는 히팅부(150); 및 상기 배럴부(140)와 상기 제1이송파이프부(190)를 연결하는 다이부(180); 상기 배럴부(140)와 상기 다이부(180)를 연결하는 피드파이프부(170); 및 상기 사출수단(130)을 구동하는 구동부(120); 상기 배럴부(140) 등을 지지하는 지지부(141)를 포함한다.
바람직하게는 상기 사출수단(130)은 스크류부이고, 상기 구동부(120)는 상기 스크류부가 회전운동 및/또는 직선운동을 하도록 동력을 제공하는 장치로서, 바람직하게는 좌우 이동이 가능한 구동모터 혹은 로터부가 좌우 이동이 가능한 구동모터임이 바람직하다. 혹은, 상기 사출수단(130)은 피스톤의 형태가 될 수도 있다.
상기 금속 분말 함유 조성물(30)을 금속 분말(20a)과 고분자 바인더(20b)를 혼련한 펠렛(Pellet) 형태로 원료 공급부(100)로 공급하고, 상기 바인더(20b)는 결합제, 가소제, 윤활제 및 계면활성제를 포함함이 바림직하다. 이와 같은 금속 분말(20a)과 고분자 바인더(20b)의 혼련체인 펠렛 형태의 금속 분말 함유 조성물(30)은 상기 호퍼부(110)를 통하여 상기 배럴부(140)에 유입되고, 배럴부(140) 내부에서 열을 받으면서, 상기 사출수단(130), 혹은 스크류부에 의하여 상기 피드파이프부(170) 및 상기 다이부(180)를 통하여, 제1이송파이프부(190)로 이송된다.
바람직하게는 상기 다이부(180)는 상기 피드파이프부(170)측으로부터 내경이 감소하는 형태의 통로를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 이와 같이 원료 공급부(100)의 배럴부(140)에서 사출된 금속 분말 함유 조성물(30)은 상기 제1이송파이프부(190)를 통하여 이송한다. 상기 제1이송파이프부(190)는 상기 제1이송파이프부(190) 내부에서 이동하는 물질을 가열하는 히팅코일부(191)를 구비함으로써, 상기 사출된 금속 분말 함유 조성물(30)이 이송 중에 경화되지 않고, 3차원 프린팅부(200)에서 토출될 때까지 최적의 상태로 유지될 수 있다. 바람직하게는 상기 히팅코일부(191)의 온도를 측정하고, 측정된 온도값에 기초하여, 금속 분말 함유 조성물(30)에 따라 기설정된 온도의 범위로 상기 제1이송파이프부(190) 내부의 금속 분말 함유 조성물(30)의 온도를 조절하기 위한, 온도설정 및 피드백 제어를 구현하는 모듈이 추가적으로 구비될 수도 있다.
한편, 도 7은 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 3차원 프린팅부(200)의 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 3차원 프린팅부(200)는, 제1축 가이드(251), 제2축 가이드(252), 및 제3축 가이드(253); 상기 제1축 가이드(251), 제2축 가이드(252), 및 제3축 가이드(253)에서 축을 따라 이동할 수 있는 복수의 케리지(260); 상기 케리지(260)와 연결되는 복수의 지지축(262); 상기 복수의 지지축(262)에 연결되는 이동부(230); 상기 이동부(230)에 고정되어, 공급된 금속 분말 함유 조성물(30)을 압출시키는 압출헤드(210); 상기 압출된 금속 분말 함유 조성물(30)을 토출하는 노즐(210a)을 포함한다.
구체적으로 상기 장치들은 베이스플레이트(250)에 제1축 가이드(251), 제2축 가이드(252), 및 제3축 가이드(253)가 수직으로 지지되고, 상기 제1축 가이드(251), 제2축 가이드(252), 및 제3축 가이드(253)의 상측에는 이들 가이드를 지지하는 상부플레이트(254)가 구비되어 있다.
제1축 가이드(251), 제2축 가이드(252), 및 제3축 가이드(253) 각각에는 상기 가이드를 따라서 직선 운동할 수 있는 케리지(260)가 구비되어 있고, 케리지(260)는 연결부(261)를 통하여 각각의 지지축(262)에 연결되어 있다. 바람직하게는 상기 연결부(261)에는 각각의 스텝모터가 내장되어 있고, 각각의 스텝모터는 컴퓨팅 장치의 제어부(미도시)로부터 위치 값을 전송받아, 각각의 케리지(260)를 목적으로 하는 수직 위치에 위치하도록, 상기 케리지(260)들을 상하 직선운동시킨다.
또한, 상기 지지축(262)은 상기 케리지(260)에 대하여 힌지운동을 할 수 있고, 상기 지지축(262)은 상기 이동부(230)에 대하여 힌지운동을 할 수 있다. 이와 같은 3축에서 이동할 수 있는 3개의 케리지(260) 및 이들에 의하여 회전운동, 바람직하게는 힌지운동을 할 수 있는 지지축(262)에 의하여, 지지축(262)이 힌지운동이 가능하게 연결된 이동부(230)는 컴퓨팅 장치가 지정하는 3차원 위치로 이동할 수 있다.
이와 같은 이동부(230)에는 압출헤드(210), 및 노즐(210a)이 결합되어 있고, 노즐(210a)에 의하여, 사출되어, 반유동 상태의 금속 분말 함유 조성물(30)이 토출될 수 있다.
한편, 상기 제1이송파이프부(190)는 상기 상부플레이트(254)에 구비된 파이프연결부(261)를 통하여 제2이송파이프부(280)로 연결된다. 제2이송파이프부(280)에도 금속 분말 함유 조성물(30)의 반유동 상태를 유지할 수 있도록 하는 열원장치가 구비될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 3차원 프린팅부(200)의 이동부(230)를 구동하는 구성의 제1 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 제1축 가이드(251)와 연결된 구성요소들을 상세하게 도시한다. 제2축 가이드(252) 및 제3축 가이드(253)도 이와 같은 제1축 가이드(251)와 유사하게 구성될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1축 가이드(251)는 2개 이상의 로드로 구성될 수 있다. 제1축 가이드(251)를 따라 케리지(260)가 왕복 상하운동을 할 수 있고, 이와 같은 케리지(260)의 운동은 상기 연결부(261) 내부에 내장된 구동수단에 의하여 구동된다.
한편, 지지축(262)은 상기 연결부(261) 혹은 상기 케리지(260)에 대하여 힌지운동이 가능한 형태의 2 이상의 로드로 구성되어 있다.
도 9는 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 3차원 프린팅부(200)의 이동부(230)를 구동하는 구성의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 제1축 가이드(251)와 연결된 구성요소들을 상세하게 도시한다. 제2축 가이드(252) 및 제3축 가이드(253)도 이와 같은 제1축 가이드(251)와 유사하게 구성될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1축 가이드(251)에는 가이드돌출부(251.1)가 구비될 수 있고, 케리지(260)는 상기 가이드돌출부(251.1)에 계합할 수 있는 형태의 홈이 형성되어 있다. 제2 실시예에서는 상기 케리지(260) 내부에 스텝모터가 구비되어 있고, 케리지(260)는 상기 가이드돌출부(251.1)를 따라 왕복운동을 할 수 있는 형태이다.
이와 같은 구성은 제1 실시예보다 보다 단순화한 형태의 3축 제어가 가능하게 할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 3차원 프린팅부(200)의 이동부(230)를 구동하는 구성의 제3 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 제1축 가이드(251)와 연결된 구성요소들을 상세하게 도시한다. 제2축 가이드(252) 및 제3축 가이드(253)도 이와 같은 제1축 가이드(251)와 유사하게 구성될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1축 가이드(251)의 상측에는 스텝모터부(291)가 구비되고, 하측에는 벨트풀리부(292)가 구비되며, 상기 스텝모터부(291)에 의하여 컨베이어 운동을 할 수 있는 벨트(293)가 상기 벨트폴리부(292)에 지지되어 있다. 이와 같은 구성에서 스텝모터부(291)를 구동함으로써, 상기 벨트(293)에 고정되어 있는 케리지부(294)가 상하 왕복운동을 할 수 있고, 이에 따라, 케리지부(294)에 힌지운동이 가능한 지지축(262)이 이동한다.
도 11은 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치의 압출헤드(210)와 이동부(230)의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다. 하기에 설명하는 세부 구성은 노즐과 관련된 구성을 제외하고, 압출헤드(210) 내부에 배치될 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 3차원 프린팅부(200)는 상기 제1이송파이프부(190)로부터 공급받은 금속 분말 함유 조성물(30)을 토출하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린트층을 연속으로 적층하여 반제품(40)을 성형한다.
바람직하게 상기 토출의 형태는 압출(Extrusion)의 형태가 바람직하고, 이하에서는 이와 같은 압출 형태를 구현하기 위한 상기 이동부(230)와 압출헤드(210), 및 노즐(210a)부의 내부 구성에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명에서의, 상기 3차원 프린팅부(200)는, 압출기스텝모터(252); 상기 압출기스텝모터(252)의 회전축에 연결된 제1기어부(233); 상기 제1기어부(233)에 계합하고, 상기 제1기어부(233)보다 큰 직경을 갖고, 회전중심에 압출롤러(235)가 구비된, 제2기어부(234); 상기 제2기어부(234)의 회전시, 상기 제2기어부(234)의 반대측에서 금속 분말 함유 조성물(30)을 지지하면서 회전하는 압출베어링(236); 및 상기 압출롤러(235)와 상기 압출베어링(236)에 의하여 압출되는 금속 분말 함유 조성물(30)을 노즐(210a) 측으로 이송시키는 압출피딩부(237);를 포함한다.
상기 이동부(230)와 압출헤드(210)의 내부에 배치되어 있고, 금속 분말 함유 조성물(30)이 이동하는 이동유로(231)는 상기 이동부(230) 및 압출헤드(210)의 내부에 형성되고, 외부의 제2이송파이프부(280)에 연결되어 있다.
이와 같은 구성에서 압출기스텝모터(252)가 회전하면, 결과적으로 압출롤러(235)가 회전하고, 압출롤러(235)의 회전에 의하여 이동유로(231) 내부의 금속 분말 함유 조성물(30)이 압출되어, 압출피딩부(237) 및 노즐(210a)을 통하여 외부로 압출된다.
상기 3차원 프린팅부(200)는, 상기 노즐(210a)의 온도를 측정하는 노즐온도측정부(210c); 상기 노즐온도측정부(210c)에 의하여 측정된 온도값에 기반하여, 노즐(210a)을 가열하는 노즐히터(210b)를 더 포함한다. 이와 같은 단부측의 금속 분말 함유 조성물(30)의 온도의 조절을 통하여, 최적의 온도 범위에서 금속 분말 함유 조성물(30)을 외부로 토출할 수 있고, 이는 금속 분말(20a)과 고분자 바인더(20b)를 포함하는 본 발명에 있어서, 우수한 제품의 내구성을 확보할 수 있다.
한편, 도 12는 본 발명에 따른 3차원 프린팅 장치(10)의 탈지부(300)와 소결부(400) 설명하기 위한 도면이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 탈지부(300)는, 상기 반제품(40)으로부터 바인더(20b)를 추출하는 용매탈지부(300)를 포함한다.
용매탈지부(300)는 3차원 프린팅부(200)에 의하여 형성된 반제품(40)에 혼합되어 있는 바인더 물질, 예를 들어 파라핀 왁스와 SA 바인더를 추출하는 장비이다.
한편, 상기 탈지부(300)는 진공 또는 불활성가스 분위기에서 탈지를 수행하는 열탈지부(300)를 더 포함하고, 상기 열탈지부(300)는, 챔버부(350); 상기 챔버부(350) 내의 압력을 감소시키는 진공장치(321); 상기 챔버부 내부에 분위기 가스를 장입하는 분위기가스장입장치(322); 및 상기 챔버부의 온도를 조절하는 온도조절부(340)를 포함한다.
진공장치(321)는 상기 챔버부(350) 내부의 환원분위기 조성을 위하여, 초기 대기 분위기에서 고진공 10-4 torr 까지 유지할 수 있도록 하는 장비이고, 이와 같은 진공장치(321)는 디퓨전 펌프 및/또는 로터리 진공펌프를 포함한다.
한편, 분위기가스장입장치(322)는 상기 챔버부(350) 내부 분위기를 조성하는 케리어 가스를 장입하는 장치이다.
한편, 바람직하게는 상기 열탈지부(300)는 탈지구간에서 디바인딩이 된 유기바인더가 진공 펌프 또는 기타 부속 장치에 들어가 고장을 일으키는 것을 막기 위하여, 기체상태의 유기바인더를 포집하는 냉각 트랩인 왁스트랩기(330)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열탈지부(300)는 챔버부(350)의 온도를 조절하여, 챔버부(350)가 가열상태 혹은 냉각상태로 되기 위한 온도조절부(340)를 포함한다.
한편, 상기 소결부(400)는, 소결챔버부(440); 상기 소결챔버부(440) 내의 압력을 감소시키는 소결진공장치(410); 상기 소결챔버부(440) 내부에 분위기 가스를 장입하는 소결분위기가스장입기(420); 및 상기 소결챔버부(440)의 온도를 조절하는 소결온도조절부(430)를 포함한다.
마찬가지로, 상기 소결진공장치(410)는 상기 소결챔버부(440) 내부의 환원분위기 조성을 위하여, 초기 대기 분위기에서 고진공 10-4 torr 까지 유지할 수 있도록 하는 장비이고, 이와 같은 진공장치는 디퓨전 펌프 및/또는 로터리 진공펌프를 포함한다.
한편, 소결분위기가스장입기(420)는 상기 소결챔버부(440) 내부 분위기를 조성하는 케리어 가스를 장입하는 장치이다.
또한, 상기 소결부(400)는 소결챔버부(440)의 온도를 조절하여, 챔버부가 가열상태 혹은 냉각상태로 되기 위한 소결온도조절부(430)를 포함한다.
본 발명에서는 상기 열탈지부(300)와 소결부(400)가 일체형으로 형성된 장치가 사용될 수도 있다. 이 경우, 예를 들어 열탈지부(300)에 의하여 탈지를 수행한 다음, 다른 작업 세팅값에 의하여 소결을 수행할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치에 대하여 설명하도록 한다. 본 발명의 3차원 프린팅 장치(10)를 구성하는 원료 공급부(100)는 금속 분말(20a)과 바인더(20b)가 균질하게 혼합된 금속 분말 함유 조성물(30)을 3차원 프린팅부(200)로 공급한다. 본 발명에서는, 금속 분말 함유 조성물(30)이 용융된 상태로 3차원 프린팅부(200)의 압출헤드(210)로 원활하게 공급될 수 있도록, 원료 공급부(100)에 연결된 제1이송파이프부(190)의 외면에는 히팅코일부(191)가 권취될 수 있다. 한편, 3차원 프린팅 장치를 구성하는 3차원 프린팅부(200)는, 원료 공급부(100)로부터 금속 분말 함유 조성물(30)를 공급받아 토출하는 압출헤드(210)와, 일측에 압출헤드(210)가 설치되고, 외부의 제어 시스템(미도시)에 의해 제어되어 베이스 플레이트(250) 상부에서 X/Y/Z축 방향으로 이동하는 이동부(230)와, 압출헤드(210)로부터 토출되는 금속 분말 함유 조성물(30)가 적층되는 베이스 플레이트(250)로 구성된다. 본 발명에서는, 압출헤드(210)는 노즐(210a)을 통해 금속 분말 함유 조성물(30)을 베이스 플레이트(250)의 표면으로 토출하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린트 층을 연속적으로 적층함으로써 반제품(40)을 성형한다.
한편, 3차원 프린팅 장치의 원료 공급부(100)는 외부로부터 투입되는 금속 분말 함유 조성물(30)을 저장하는 한편, 이를 가열하여 용융시키는 히팅부(150)와, 히팅부(150)에 의해 용융된 금속 분말 함유 조성물(30)을 가압하여 사출시키는 사출수단으로 구성될 수 있다. 본 발명에서는, 사출수단은 공기 압축기(Air compressor)로 이루어져, 외부의 제어에 의해 공기압를 이용하여 배럴부(140)의 금속 분말 함유 조성물(30)을 사출할 수도 있다.
바람직하게는, 도 6에 도시된 바와 같이, 외주면에 나사산이 형성되어 있는 스크류 방식의 사출수단이 구동부(120)로부터 전달되는 회전력으로 회전 운동함에 따라, 원료 공급부(100)에 가열되어 저장된 금속 분말 함유 조성물(30)이 압출헤드(210)로 사출되는 방식을 갖는 압출기 형태로 구성될 수 있다.
또한, 경우에 따라 3차원 프린팅 장치(10)의 원료 공급부(100)는, 금속 분말(20a)과 바인더(20b)가 혼련된 펠렛(Pellet) 형태로 투입되는 금속 분말 함유 조성물(30)을 사출수단의 회전에 의해 압출헤드(210) 측으로 투입되는 형태로 구성될 수 있다.
3차원 프린팅부(200)는 원료 공급부(100)로부터 공급된 금속 분말 함유 조성물(30)을 원료로 하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린팅을 수행한다. 보다 구체적으로, 3차원 프린팅부(200)의 동작을 살펴보면, 원료 공급부(100)로부터 공급된 금속 분말 함유 조성물(30)이 압출헤드(210)에 공급되면, 이동부(230)가 외부의 제어 시스템(미도시)에 의해 제어되어 베이스 플레이트(250) 상부에서 X/Y/Z축 방향으로 이동하고, 이동부(230)의 일측에 설치된 압출헤드(210)가 노즐(210a)를 통해 금속 분말 함유 조성물(30)을 베이스 플레이트(250) 표면으로 토출하여 베이스 플레이트(250) 상에 프린트 층을 연속으로 적층함으로써 반제품(40)을 성형한다.
탈지부(300)는 3차원 프린팅부(200)에 의해 제작된 반제품(40)에서 바인더(20b)를 제거한다. 본 발명에서는, 탈지부(300)는 용매 탈지, 열간 탈지 또는 촉매 탈지 중 어느 하나의 탈지방식이나, 이들을 조합한 탈지방식으로 반제품(40)로부터 바인더 성분을 제거할 수 있다.
소결부(400)는 탈지부(300)에 의해 바인더 성분이 제거된 반제품(40)을 소결하여 최종 제품인 완제품(50)을 추출한다. 본 발명에서는, 소결부(400)는 일반 소결, 가압 소결, 열간 정수압 소결 중 어느 하나의 소결방식이나, 이들을 조합한 소결방식으로 바인더 성분이 제거된 반제품(40)을 소결하여 완제품(50)을 추출할 수 있다.
조성 1(SUS-304L) 또는 조성 2(SUS-316L)에 따른 오스나이트계 스테인레스 금속 분말을 금속 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 90.0 ~ 94.0중량%로 함유시킨 경우에 있어서, 본 발명에 따라 3차원 프린팅 공정 직후 성형된 반제품(40) 대비 소결/냉각 공정이 완료된 후 추출된 강(鋼)제품(50)의 수축률은 도 13에 도시된 바와 같다. 도 13을 참조하면, 조성 1(SUS-304L) 또는 조성 2(SUS-316L)에 따른 오스나이트계 스테인레스 금속 분말이 금속 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 90.0중량%로 함유된 경우에는 약 20 내지 20.5%의 수축률을 보이며, 94.0중량%로 함유된 경우에는 약 15.5 내지 16중량%의 수축률을 보인다. 조성 1(SUS-304L) 또는 조성 2(SUS-316L)에 따른 오스나이트계 스테인레스 금속 분말의 함유량이 금속 분말 함유 조성물 전체 중량 대비 90.0 ~ 94.0중량%로 함유된 구간에서 수축률은 금속 분말 함유량이 높아질수록 선형적으로 감소됨을 확인할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (37)

  1. 3차원 프린터의 압출 헤드로 공급되는 원료로 사용되는 금속 분말 함유 조성물로서,
    금속 분말과 고분자 바인더를 혼련하고 분쇄 및 조립화(造粒化)한 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 분말은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말인 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.0중량% 이하, Cr: 18 ~ 20중량%, Ni: 10 ~ 12중량%, Mo: 0.2중량% 이하, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말인 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.5중량% 이하, Cr: 16 ~ 18중량%, Ni: 11 ~ 14중량%, Mo: 2 ~ 3중량%, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말인 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 고분자 바인더는 결합제, 가소제 및 윤활제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 금속 분말은 90.0 ~ 94.0중량%, 상기 결합제는 3.0 ~ 5.0중량%, 상기 가소제는 2.5 ~ 3.5중량% 및 상기 윤활제는 0.5 ~ 1.5중량%를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 결합제는 폴리에틸렌(Polyethylene) 공중합체인 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 가소제는 파라핀 왁스(Paraffin wax)인 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 윤활제는 스테아린산(Stearic acid)인 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 금속 분말과 상기 고분자 바인더가 170℃ 이상의 온도에서 혼련되고 펠렛타이저에 의해 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화되어 제조되는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  11. 금속 분말과 고분자 바인더를 혼련하고 분쇄 및 조립화(造粒化)하여 금속 분말 함유 조성물을 준비하는 원료 준비 단계;
    상기 금속 분말 함유 조성물을 3차원 프린터의 압출 헤드로 공급하는 원료 공급 단계;
    상기 압출 헤드의 노즐을 통해 용융된 금속 분말 함유 조성물을 플레이트의 표면으로 토출하여 상기 플레이트 상에 프린트 층을 적층하는 적층 단계;
    상기 적층 단계를 반복 수행하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 상기 프린트 층을 연속으로 적층하여 반제품을 성형하는 성형 단계;
    상기 성형 단계에서 성형된 반제품에서 상기 고분자 바인더를 제거하는 탈지 단계; 및
    상기 탈지 단계에서 고분자 바인더가 제거된 반제품을 소결 및 냉각하여 상기 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상을 갖는 최종 강제품으로 추출하는 소결 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 원료 준비 단계는,
    상기 금속 분말과 고분자 바인더를 혼련하고 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화하여 금속 분말 함유 조성물을 준비하는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 금속 분말은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말인 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.0중량% 이하, Cr: 18 ~ 20중량%, Ni: 10 ~ 12중량%, Mo: 0.2중량% 이하, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말인 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.5중량% 이하, Cr: 16 ~ 18중량%, Ni: 11 ~ 14중량%, Mo: 2 ~ 3중량%, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말인 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  16. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    상기 원료 준비 단계는,
    상기 금속 분말을 90.0 ~ 94.0중량%, 상기 결합제를 3.0 ~ 5.0중량%, 상기 가소제를 2.5 ~ 3.5중량%, 상기 윤활제를 0.5 ~ 1.5중량%를 혼련하고 분쇄 및 조립화하여 상기 금속 분말 함유 조성물을 준비하는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 결합제는 폴리에틸렌(Polyethylene) 공중합체이고, 상기 가소제는 파라핀 왁스(Paraffin wax)이며, 상기 윤활제는 스테아린산(Stearic acid)인 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 원료 준비 단계는,
    상기 금속 분말과 고분자 바인더를 170℃ 이상의 온도에서 혼련하는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  19. 청구항 12에 있어서,
    상기 원료 공급 단계는,
    상기 금속 분말 함유 조성물을 조립화한 펠렛을 용융한 후, 가압 사출하여 상기 3차원 프린터의 압출 헤드로 공급하는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  20. 청구항 12에 있어서,
    상기 원료 공급 단계는,
    상기 금속 분말 함유 조성물을 조립화한 펠렛을 상기 3차원 프린터의 압출 헤드로 공급하여, 상기 압출 헤드에서 발생되는 열로 용융시키는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  21. 청구항 12에 있어서,
    상기 탈지 단계는,
    상기 반제품을 용매에 침지시켜 상기 고분자 바인더 중 상기 가소제와 윤활제를 제거하는 용매 탈지 단계; 및
    상기 용매 탈지 단계에서 반제품을 가열하여 상기 고분자 바인더 중 상기 결합제를 제거하는 열간 탈지 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 용매 탈지 단계는,
    상기 반제품을 25 ~ 35℃의 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran) 또는 헵탄(Heptane) 용매에 24시간 이상 침지시켜 상기 가소제와 윤활제를 제거하는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  23. 청구항 21에 있어서,
    열간 탈지 단계는,
    질소(N2) 분위기에서 500℃까지 단계적으로 승온하면서 상기 반제품을 가열하여 상기 결합제를 제거하는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  24. 청구항 12에 있어서,
    상기 소결 단계는,
    진공 분위기에서 1,000℃까지 단계적으로 승온하면서 상기 반제품을 가열하는 일반 소결 단계;
    1,000 내지 1,200bar의 아르곤(Ar) 분위기에서, 1,350℃까지 단계적으로 승온한 후 1,350℃에서 1 내지 3시간 동안 유지시켜 상기 반제품을 가열하는 열간 정수압 소결 단계; 및
    상기 반제품을 상온까지 냉각하여 최종 강제품을 추출하는 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 소결 단계 이전에,
    상기 탈지 단계에서 상기 고분자 바인더가 제거된 반제품을 진공 분위기에서 900℃까지 단계적으로 승온하면서 가열하는 가소결 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 함유 조성물을 원료로 하는 3차원 프린팅 방법.
  26. 외부로부터 금속 분말 함유 조성물을 공급받고, 공급받은 금속 분말 함유 조성물을 사출하는 원료 공급부;
    상기 원료 공급부로부터 사출된 금속 분말 함유 조성물을 이송시키는 제1이송파이프부;
    상기 제1이송파이프로부터 공급받은 금속 분말 함유 조성물을 토출하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린트층을 연속으로 적층하여 반제품을 성형하는 3차원 프린팅부;
    상기 3차원 프린팅부에서 성형된 반제품으로부터 바인더를 제거하는 탈지부; 및
    상기 3차원 프린팅부에서 성형된 반제품을 소결하는 소결부를 포함하는, 3차원 프린팅 장치.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 원료 공급부는,
    외부로부터 금속 분말 함유 조성물을 공급받는 호퍼부;
    상기 호퍼부와 연결된 이송통로를 구비하는 배럴부;
    상기 배럴부 내부에 위치하고, 배럴부 내부의 금속 분말 함유 조성물을 사출시키는 사출수단;
    상기 배럴부 내부의 금속 분말 함유 조성물을 가열하는 히팅부; 및
    상기 배럴부와 상기 제1이송파이프를 연결하는 다이부;를 포함하는, 3차원 프린팅 장치.
  28. 청구항 26에 있어서,
    상기 제1이송파이프부는 상기 제1이송파이프부 내부에서 이동하는 금속 분말 함유 조성물을 가열하는 히팅코일부를 구비하는, 3차원 프린팅 장치.
  29. 청구항 26에 있어서,
    상기 3차원 프린팅부는,
    제1축 가이드, 제2축 가이드, 및 제3축 가이드;
    상기 제1축 가이드, 제2축 가이드, 및 제3축 가이드에서 축을 따라 이동할 수 있는 복수의 케리지;
    상기 케리지와 연결되는 복수의 지지축;
    상기 복수의 지지축에 연결되는 이동부;
    상기 이동부에 고정되어, 공급된 금속 분말 함유 조성물을 압출시키는 압출헤드;
    상기 압출된 금속 분말 함유 조성물을 토출하는 노즐을 포함하는, 3차원 프린팅 장치.
  30. 청구항 26에 있어서,
    상기 3차원 프린팅부는,
    제1축 가이드, 제2축 가이드, 및 제3축 가이드;
    상기 제1축 가이드, 제2축 가이드, 및 제3축 가이드 각각에 고정되고, 상기 제1축 가이드, 제2축 가이드, 및 제3축 가이드에 평행하는 복수의 벨트;
    상기 복수의 벨트를 따라 이동할 수 있는 복수의 케리지부;
    상기 케리지와 연결되는 복수의 지지축;
    상기 복수의 지지축에 연결되는 이동부;
    상기 이동부에 고정되어, 공급된 금속 분말 함유 조성물을 압출시키는 압출헤드; 및
    상기 압출된 금속 분말 함유 조성물을 토출하는 노즐을 포함하는, 3차원 프린팅 장치.
  31. 청구항 29 또는 30에 있어서,
    상기 지지축은 상기 케리지에 대하여 힌지운동을 할 수 있고,
    상기 지지축은 상기 이동부에 대하여 힌지운동을 할 수 있는, 3차원 프린팅 장치.
  32. 청구항 26에 있어서,
    상기 탈지부는,
    상기 반제품으로부터 바인더를 추출하는 용매탈지부를 포함하는, 3차원 프린팅 장치.
  33. 청구항 32에 있어서,
    상기 탈지부는 진공 또는 불활성가스 분위기에서 탈지를 수행하는 열탈지부를 더 포함하고,
    상기 열탈지부는, 챔버부; 상기 챔버부 내의 압력을 감소시키는 진공장치; 상기 챔버부 내부에 분위기 가스를 장입하는 분위기가스장입장치; 및 상기 챔버부의 온도를 조절하는 온도조절부를 포함하는, 3차원 프린팅 장치.
  34. 청구항 26에 있어서,
    상기 소결부는, 소결챔버부; 상기 소결챔버부 내의 압력을 감소시키는 소결진공장치; 상기 소결챔버부 내부에 분위기 가스를 장입하는 소결분위기가스장입장치; 및 상기 소결챔버부의 온도를 조절하는 소결온도조절부를 포함하는, 3차원 프린팅 장치.
  35. 청구항 26에 있어서,
    상기 원료 공급부는,
    상기 금속 분말 함유 조성물을 금속 분말과 바인더를 혼련한 펠렛(Pellet) 형태로 원료 공급부로 공급하고,
    상기 바인더는 결합제, 가소제, 윤활제 및 계면활성제를 포함하는, 3차원 프린팅 장치.
  36. 청구항 26에 있어서,
    상기 3차원 프린팅부는,
    압출기스텝모터;
    상기 압출기스텝모터의 회전축에 연결된 제1기어부;
    상기 제1기어부에 계합하고, 상기 제1기어부보다 큰 직경을 갖고, 회전중심에 압출롤러가 구비된, 제2기어부;
    상기 제2기어부의 회전시, 상기 제2기어부의 반대측에서 금속 분말 함유 조성물을 지지하면서 회전하는 압출베어링; 및
    상기 압출롤러와 상기 압출베이링에 의하여 압출되는 금속 분말 함유 조성물을 노즐측으로 이송시키는 압출피딩부;를 포함하는, 3차원 프린팅 장치.
  37. 청구항 36에 있어서,
    상기 3차원 프린팅부는,
    상기 노즐의 온도를 측정하는 노즐온도측정부;
    상기 노즐온도측정부에 의하여 측정된 온도값에 기반하여, 노즐을 가열하는 노즐히터를 더 포함하는, 3차원 프린팅 장치.
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