WO2019108043A1 - 표면 처리된 적층 제조 물품의 제조방법 - Google Patents

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WO2019108043A1
WO2019108043A1 PCT/KR2018/015187 KR2018015187W WO2019108043A1 WO 2019108043 A1 WO2019108043 A1 WO 2019108043A1 KR 2018015187 W KR2018015187 W KR 2018015187W WO 2019108043 A1 WO2019108043 A1 WO 2019108043A1
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unsm
manufacturing
article
specimens
metal
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PCT/KR2018/015187
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편영식
아마노프아웨즈한
조인호
김준형
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선문대학교 산학협력단
(주)디자인메카
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Publication date
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing an article using a lamination method, and more particularly, to a method of producing an article by performing surface treatment after lamination.
  • additive manufacturing also called 3D printing, refers to the process of manufacturing 3D objects by stacking materials using digital design data.
  • the 3D printing method adopts a lamination method in the opposite direction, and a rapid prototyping ), Additive fabrication, additive fabrication, layer manufacturing, and freeform fabrication.
  • the 3D printing process can be divided into three stages: 1 Modeling to produce a 3D digital drawing through a design SW or a 3D scanner, 2 Printing, and 3 Finishing process for final commercialization such as removal of the supporter, polishing, dyeing and surface material deposition.
  • Advantages of 3D printing include 1 production cost and time saving of prototypes 2 small quantity production of various kinds of products, easy customized production 3 contributing to complicated shape production and material cost reduction 4 simplification of manufacturing process during manufacturing and reduction of labor cost and assembly cost .
  • digital drawings can be distributed instead of products, and output can be made anywhere.
  • metal 3D printing using metal as a raw material is advantageous because of its properties such as minimizing the use of materials, the ability to make complex shapes with a light structure, and the cost savings in manufacturing mechanical parts with less energy Has received considerable attention.
  • the metal 3D printing can be performed by a direct energy deposition (DED) method or a powder bed fusion (PBF) method among the lamination method described above.
  • DED direct energy deposition
  • PPF powder bed fusion
  • MWAAM Metal Wire Arc Additive Manufacturing
  • AFS Additive Friction Stirring
  • the MWAAM method is a process of manufacturing an article by stacking wires by feeding a metal filler metal with a heat source such as GMAW, GTAW, or PAW.
  • the AFS system is a solid-state thermo-mechanical process for the deposition of metal or metal matrix composites (MMCs), in which bulk or powdered fillers are fed through a rotating AFS tool, The material is deposited in the form of a plastic material, which undergoes severe plastic deformation, dynamic recrystallization, compaction (in the case of powder), and deposition, on the substrate.
  • MMCs metal or metal matrix composites
  • 3D printed machine parts are up to 60% lighter than machined components.
  • 3D printing technology is in high demand in terms of economics due to the above-described characteristics of multi-functionality and product complexity of new materials. For example, in the aerospace industry alone, reducing the weight of mechanical components can save billions of dollars.
  • 3D printing technology that can print various materials at the same time, which shows the excellent development of metal 3D printing technology. Also, until now, the process of 3D printing technology has progressively achieved a level of accuracy and precision that is satisfactory.
  • micro-pores that can cause cracks in mechanical components under cyclic loading. Since the ultimate wear, fatigue, and corrosion properties of a material can be determined by surface and microstructural defects such as cracks, pores, unmelted particles, etc., the relationship between microstructure defects and mechanical properties of the material is very important. For example, 3D-printed AISI H13 tool steels produced by different lamination processes are known to have lower fatigue strength due to the deleterious effects of pores.
  • metal 3D printing is known to cause heat-affected zone (HAZ) toughness degradation and residual stress due to latent heat, especially tensile residual stress, as a factor of fatigue strength deterioration.
  • HZ heat-affected zone
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for improving the mechanical performance including the frictional wear of an article manufactured through a lamination method such as metal 3D printing, Method.
  • a method of manufacturing a semiconductor device comprising the steps of: (a) fabricating one or more layers or articles by additive manufacturing (AM); And (b) performing an ultrasonic nanocrystalline surface modification (UNSM) on the one or more layers or on the surface of the article.
  • AM additive manufacturing
  • UNSM ultrasonic nanocrystalline surface modification
  • a layer or an article may be subjected to photopolymerization (PP), material extrusion (ME), adhesive jetting (BJ), material jetting Jetting, MJ), direct energy deposition (DED), powder bed fusion (PBF), and sheet lamination (SL)
  • PP photopolymerization
  • ME material extrusion
  • BJ adhesive jetting
  • MJ material jetting Jetting
  • MJ material jetting Jetting
  • MJ direct energy deposition
  • PEF powder bed fusion
  • SL sheet lamination
  • the layer or the article may be formed of any one selected from metal, ceramic, and metal matrix composites (MMC). I suggest.
  • a layer or an article made of metal is manufactured by using a direct energy deposition (DED) method or a powder bed fusion (PBF) method And a method of manufacturing an article using the laminated manufacturing method.
  • DED direct energy deposition
  • PPF powder bed fusion
  • a layer or an article made of metal may be manufactured by using Metal Wire Arc Additive Manufacturing (MWAAM) or Additive Friction Stirring (AFS) And a method for manufacturing an article using the laminated manufacturing method.
  • MWAAM Metal Wire Arc Additive Manufacturing
  • AFS Additive Friction Stirring
  • a layer or an article made of ceramic is selected from Binder Jetting (BJ), Photo polymerization (PP), and Material Extrusion (ME)
  • BJ Binder Jetting
  • PP Photo polymerization
  • ME Material Extrusion
  • ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) is performed on the surface of each of the one or more layers or on the surface of the article in a state where latent heat generated during additive manufacturing (AM) is present
  • AM additive manufacturing
  • the present invention also provides a method of manufacturing an article using the lamination method.
  • ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) is performed while locally heating the surface of each of the one or more layers or the surface of the article.
  • a laminate manufacturing apparatus comprising: a laminate manufacturing section including at least one layer or a molding stage in which an article is laminated and formed thereon; An ultrasonic nanocrystalline surface modification (UNSM) processing unit connected in series or in parallel to the laminate manufacturing method unit; And a shaping stage driving unit capable of moving the shaping stage between the lamination manufacturing unit and the ultrasonic nanocrystal surface modification processing unit.
  • a laminate manufacturing section including at least one layer or a molding stage in which an article is laminated and formed thereon
  • An ultrasonic nanocrystalline surface modification (UNSM) processing unit connected in series or in parallel to the laminate manufacturing method unit
  • a shaping stage driving unit capable of moving the shaping stage between the lamination manufacturing unit and the ultrasonic nanocrystal surface modification processing unit.
  • the ultrasonic nanocrystal surface modification treatment unit may further include a heat treatment unit for performing a local heating treatment on a surface of each of the one or more layers transferred from the laminate manufacturing unit or a surface of the article.
  • the heat treatment unit may include a temperature measurement unit for measuring the temperature of the surface of each of the one or more layers transferred from the lamination production unit or the surface of the article; And a temperature controller connected to the temperature measuring unit for controlling the temperature by determining whether the local heating process is performed according to the temperature measured by the temperature measuring unit.
  • the present invention further provides a cooling apparatus provided between the laminated production unit and the ultrasonic nanocrystal surface modification treatment unit or at a rear stage of the ultrasonic nanocrystal surface modification treatment unit.
  • the present invention proposes an article produced by the above manufacturing method in another aspect of the invention.
  • the method of manufacturing an article using the laminated manufacturing method according to the present invention can be applied to a layer or an article manufactured using 3D printing by using an ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM)
  • USM ultrasonic nanocrystal surface modification
  • ultrasonic nanocrystal surface modification in the state where latent heat generated in the lamination manufacturing process exists, or by performing ultrasonic nanocrystal surface modification at the same time as local heating after completion of the layer or final lamination manufacturing process, to eliminate or reduce unmelting defect and porosity, to improve the surface roughness of the layer or article formed by lamination production, to apply compressive residual stress to the layer or article formed by lamination production, Thereby strengthening the crystal grains grown by the latent heat by the laminating process and the brittleness-induced texture.
  • 1 is a schematic diagram of UNSM technology.
  • Figures 3a-3d show EBSD images and mapping results of bulk AISI H13 tool steel specimens ( Figures 3a and 3b) before and after UNSM treatment and 3D-printed AISI H13 tool steel specimens ( Figures 3c and 3d).
  • Figures 4a-4d show the number fractions for misorientation angles of bulk AISI H13 tool steel specimens ( Figures 4a and 4b) before and after UNSM treatment and 3D printed AISI H13 tool steel specimens ( Figures 4c and 4d) Number of fraction.
  • Figs. 5A to 5D show results of surface roughness comparison of bulk AISI H13 tool steel specimens (Figs. 5A and 5B) and 3D-printed AISI H13 tool steel specimens (Figs. 5C and 5D) before and after UNSM treatment.
  • Figure 6 shows the results of surface hardness comparison of bulk and 3D printing AISI H13 tool steel specimens before and after UNSM treatment.
  • FIGS. 7A to 7D are indent SEM images of bulk AISI H13 tool steel specimens (Figs. 7A and 7B) and 3D-printed AISI H13 tool steel specimens (Figs. 7C and 7D) before and after UNSM treatment.
  • Figs. 8A and 8B show the results of comparison of the friction coefficients of the bulk AISI H13 tool steel specimen (Fig. 8A) and the 3D printing AISI H13 tool steel specimen (Fig. 8B) before and after UNSM treatment.
  • Figures 9a-9b are high magnification SEM images of bulk AISI H13 tool steel specimens ( Figures 9a and 9b) before and after UNSM treatment and 3D-printed AISI H13 tool steel specimens ( Figures 9c and 9d).
  • Figs. 10A to 10D are EDX spectra of the bulk AISI H13 tool steel specimens (Figs. 10A and 10B) before and after the UNSM treatment and the wear tracks of the 3D-printed AISI H13 tool steel specimens (Figs. 10C and 10D).
  • the present invention relates to a method for improving the mechanical performance including the abrasion and abrasion of an article manufactured through a lamination method to be equal to or higher than that of a bulk material produced through a conventional molding process.
  • a method of manufacturing an article using the laminate manufacturing method according to the present invention includes the steps of: (a) manufacturing one or more layers or articles by additive manufacturing (AM); And (b) performing an ultrasonic nanocrystalline surface modification (UNSM) on the surface of the one or more layers or the article.
  • AM additive manufacturing
  • UNSM ultrasonic nanocrystalline surface modification
  • a layer or an article made of a composite material such as a metal, a ceramic, or a metal matrix composite (MMC) is manufactured using a lamination method.
  • a photopolymerization method PP
  • a material extrusion method Material Extrusion method
  • ASTM American Society for Testing and Materials
  • ME Binder Jetting
  • MJ Material Jetting
  • DED Direct Energy Deposition
  • PPF Powder Bed Fusion
  • SL sheet lamination
  • the material extrusion method (ME) is a method (FDM or the like) in which a filament material is plasticized through a nozzle and extruded to form a shape
  • a material jetting method (MJ) Polyjet, MJM, etc.
  • Binder Jetting (BJ) is a method in which a liquid binder is sprayed through a plurality of fine nozzles to select a powder material (LOM, VLM, etc.) for manufacturing a shape by joining a sheet material to a desired cross-section and bonding the sheet material to a desired cross-section
  • Photopolymerization (PP) is a method (SLA, DLP, etc.) in which a liquid polymer is selectively cured by using light energy to form a shape.
  • Powder Bed Fusion (SLS, DMLS, etc.), which are produced by selectively sintering / dissolving by using a high thermal energy source (laser) in a high energy direct current (MWAAM, LENS, DMT, etc.) that form a pool dissolved in water and form a shape by supplying powder thereto.
  • laser high thermal energy source
  • MWAAM high energy direct current
  • the PBF method and the DED method can be cited as preferred methods for producing the metal-made article in the above method. Although there are advantages and disadvantages according to each of these methods, the DED method is superior in stiffness to the PBF method at present, There are many advantages in application and active research and applications are underway.
  • the AFS method described above is also a suitable method for manufacturing metal laminated articles.
  • a BJ method generally known as powder printing
  • an ME method represented by fused deposition modeling (FDM) and paste extruding deposition (PED), stereolithography (SLA) or dislative light processing ) Is preferably used.
  • FDM fused deposition modeling
  • PED paste extruding deposition
  • SLA stereolithography
  • dislative light processing preferably used.
  • step (b) ultrasonic nanocrystalline surface modification (UNSM) is performed on the surface of one or more layers or articles formed by the lamination method in the step (a)
  • the UNSM may be performed each time one or more layers are formed by the lamination method, or UNSM may be performed after the shape of the article is completely obtained by the lamination method.
  • tungsten carbide (WC) / silicon nitride (Si 3 N 4 ) tip impacts the surface of the 20,000 laminated manufacturing layer or laminate manufactured article at a rate of 20,000 per second to modify the surface, such impact can be regarded as micro-cold-forging, Plastic and elastic deformation to induce deep residual stresses and nanocrystalline structures and also to generate innumerable non-uniform micro-dimples on the surface of the specimen Thereby improving the surface characteristics.
  • the surface of each of the one or more layered layers or the local heating of the surface of the article may be simultaneously performed with the UNSM treatment.
  • extreme elasto-plastic strain energy is added to move an element such as carbon or nitrogen from the inside to the surface layer, change the microstructure,
  • the crystal grains can be made fine and a compressive residual stress can be added.
  • UNSM processing can be performed in a state where latent heat generated during additive manufacturing (AM) exists so that the same effect as that of the local heating can be exhibited.
  • AM additive manufacturing
  • the surface modification of the ultrasonic nanocrystals may be performed in the state where the latent heat generated in the lamination manufacturing process exists, or the ultrasonic nanocrystal surface modification may be performed simultaneously with local heating after completion of the layer or final lamination manufacturing process,
  • the ultrasonic nanocrystal surface modification may be performed simultaneously with local heating after completion of the layer or final lamination manufacturing process,
  • To eliminate or reduce the unmelting defect and porosity caused by the lamination to improve the surface roughness of the layer or article formed by lamination, to apply compressive residual stress to the layer or article formed by lamination, It is possible to remarkably improve the fatigue strength by changing the crystal grains grown by the latent heat by the laminating process and the brittleness structure.
  • the surface hardness can be increased and the surface roughness And by refining large particles into nano-sized particles, it improves friction and wear behavior and improves material fatigue life. It has a remarkably improved hardness and superior friction and wear behavior compared to conventional bulk materials. And can be manufactured at low cost.
  • USM ultrasonic nanocrystalline surface modification
  • an apparatus for producing a laminated product comprising at least one layer or a molding stage in which an article is laminated thereon part;
  • An ultrasonic nanocrystalline surface modification (UNSM) processing unit connected in series or in parallel to the laminate manufacturing method unit;
  • a shaping stage driving unit capable of moving the shaping stage between the lamination manufacturing method and the ultrasonic nanocrystal surface modification processing unit.
  • the ultrasonic nanocrystal surface modification treatment section may be configured to perform a local heating treatment on the surface of each of the one or more layers transferred from the lamination production section, And a heat treatment unit for performing the heat treatment.
  • the heat treatment unit may include a temperature measuring unit for measuring the temperature of the surface of the one or more layers conveyed from the lamination producing unit or the surface of the article, and a local heating process depending on the temperature measured by the temperature measuring unit. And a temperature control unit for controlling the temperature and connected to the temperature measuring unit.
  • the article manufacturing apparatus may further include a cooling unit installed between the laminate manufacturing unit and the ultrasonic nanocrystal surface modification treatment unit so that heat can be cooled while the molding stage is moving between the laminated manufacturing unit and the ultrasonic nanocrystal surface modification treatment unit have.
  • the article manufacturing apparatus may further include a cooling unit installed at a rear end of the ultrasonic nanocrystal surface modification unit so that the heat can be cooled after the ultrasonic nanocrystal surface modification process.
  • the bar-shaped AISI H13 steel was selected as the base material that has not been pretreated by quenching and tempering heat treatment processes since no additional annealing process is performed after the 3D printing process.
  • AISI H13 tool steels are used in a wide variety of industries due to their high hardenability, excellent abrasion resistance, high temperature toughness and excellent thermal shock resistance.
  • Molybdenum (Cr-Mo) high temperature machined steel which is used as a variety of tools in hot and cold machining such as steel, The hardness of the AISI H13 steel acts as a resistance to thermal fatigue cracks resulting from periodic heating and cooling processes.
  • AISI H13 steel is a preferred material for high temperature working tools than other tool steels due to its high toughness and high resistance to thermal fatigue cracking. Therefore, there is a need to increase the mechanical properties and abrasion resistance to extend the fatigue life of mechanical parts and dies made of AISI H13 steel.
  • AISI H13 ranges from 48-50 HRC after quenching.
  • Molybdenum (Mo) and vanadium (V) act as strengthening agents.
  • Cr helps to increase the softening resistance of AISI H13 steels at high temperatures.
  • AISI H13 tool steel is manufactured by 3D printing using a laser-assisted direct metal tooling (DMT) machine (MX-450, InssTak Inc.) operating with a 1 kW Ytterbium fiber laser Respectively.
  • DMT direct metal tooling
  • the laser energy dissolves the powdered metal in a sealed build chamber to produce fully integrated layers of layers.
  • DMT is a method of building structures by stacking layers as one of the lamination methods that can be applied to rapid prototyping, tooling and functional component manufacturing with selected metals. Depositing a new layer on the previously formed layer by locally fusing the feed powder under a high power laser while blowing an inert gas into the chamber.
  • the H13 tool steel used in this embodiment is a martensitic alloy steel capable of providing high hardenability, excellent abrasion resistance and high temperature toughness, but DMT-treated H13 experiences rapid dissolution, cooling and reheating, Can not be the same as the material properties of the material.
  • the laser process direction and void affect the properties.
  • the material was cut into a plate shape having dimensions of 10 ⁇ 10 ⁇ 3 mm 3 by using a wire cut having a wire diameter of 0.14 mm.
  • the chemical composition and mechanical properties of the two specimens are shown in Table 1 (chemical composition (wt%) of bulk and 3D-printed AISI H13 tool steel) and Table 2 (mechanical properties of bulk and 3D-printed AISI H13 tool steel).
  • the surface of the specimen was polished using silicon carbide (SiC) sand (max # 2000) to obtain a similar average surface roughness of about 0.1 ⁇ m.
  • SiC silicon carbide
  • a mirror-like specimen surface was obtained using a 1 ⁇ m diamond suspension.
  • UNSM technology is a patented material strengthening technology.
  • UNSM technology uses a 2.38 mm diameter tungsten carbide (WC) / silicon nitride (Si 3 N 4 ) tip to impact the surface of the specimen 20,000 times per second to reduce coarse particles to nano-sized particles .
  • a schematic of a built-in house UNSM device is shown in FIG.
  • P st static load
  • P dy P sin2 ⁇ ft
  • the oscillator and the piezoelectric transducer shown in Fig. 1 emit ultrasonic waves at 20 kHz. The waves are amplified as they pass through an acoustic booster.
  • the dimensions of the vibrating part in contact with the surface are such that a vibration amplitude of 10 to 100 ⁇ m can be obtained to achieve a uniform treatment on the surface to be treated.
  • the principle of UNSM is based on the conversion of a harmonic oscillation of an acoustically tuned body into a resonant impulse of ultrasound frequency.
  • the acoustically tuned body is energized by supplying power to the ultrasonic transducer.
  • the UNSM technical apparatus may be installed at different positions on any numerical control (NC) and / or computer numerical control (CNC) machine.
  • the UNSM treatment process was carried out in a complex CNC machine tool machine capable of planar processing and annular wobbling.
  • the trajectory of the UNSM processing is depicted in FIG.
  • the specimens were subjected to UNSM according to the process parameters listed in Table 3 (UNSM process variable and applied value applied to bulk and 3D-printed AISI H13 tool steels).
  • the optimum conditions should be determined according to the surface condition of the material, and the optimum condition should be found after analyzing the mechanical properties of the surface state of the treatment results.
  • the static loads applied to bulk and 3D-printed AISI H13 steel specimens were 30 and 70 N, respectively, taking into account the initial surface hardness of the specimens.
  • the specimens Prior to UNSM treatment, the specimens were cleaned in an ultrasonic bath with ethanol and deionized water for 10 minutes to maintain a clean, dust-free surface.
  • Figure 3 shows the geometry of the tissue with the mapping of bulk and 3D printed specimens using EBSD technology. From FIG. 3 (a), it can be seen that the average particle diameter of the bulk specimen is in the range of 5 to 30 ⁇ m in the longitudinal direction. From FIG. 3 (b), it can be confirmed that the UNSM treatment fine-grained the coarse particles to fine particles of 1 to 10 ⁇ m in the length direction. Minimizing the particle size of the specimen treated with UNSM may be due to subsequent impacts occurring in the UNSM process, which induces severe plastic deformation on the upper surface within a certain depth.
  • the number of fractions for the azimuthal angle of the bulk and 3D-printed specimens obtained using the EBSD technique are shown in FIG. As shown in FIGS. 4 (a) and (b), it was clearly shown that the number of specimens after UNSM treatment increased in bulk specimens.
  • the amount of low angle grain boundary (LAGB) increased from 21 to 34% while the amount of high angle grain boundary (HAGB) decreased from 79 to 66%.
  • the amount of LAGB increases from 8 to 17%, while the amount of HAGB decreases from 92 to 83%. This change in grain boundaries may be due to an increase in grain boundaries by UNSM treatment.
  • the grain refinement can greatly increase the mechanical properties such as the hardness of the material.
  • the surface roughness of the specimen before and after the UNSM treatment was measured as in FIG.
  • the mean surface roughness of bulk specimens after UNSM treatment increased from 0.445 to 0.563 ⁇ m, while the mean surface roughness of 3D-printed untreated and UNSM treated specimens were 0.451 and 0.454 ⁇ m, respectively, indicating no significant change.
  • FIG. 5 (b) that UNSM-treated tracks are clearly generated on the surface of the specimen having a distance of 70 ⁇ m as shown in Table 3. These corrugated surfaces are generated by the forward and backward movement of the UNSM treatment.
  • Untreated and UNSM treated Top surface images of the specimens confirm the formation of micro-dimples on the specimen surface due to UNSM treatment.
  • the desired micro dimple may be fabricated with laser surface texturing (LST) technology, but the micro dimple size in this case is relatively large compared to the micro dimple size produced by the UNSM process.
  • LST laser surface texturing
  • the surface hardness of the specimen before and after the UNSM treatment was measured, and the effect of particle refinement after the UNSM treatment on the surface hardness and the comparison of the surface hardness value are shown in Fig. All UNSM treated specimens showed significantly higher hardness compared to bulk specimens and 3D printed specimens. The surface hardness of bulk specimens and 3D printed specimens were increased to 45, 58 HRC and 52, 66 HRC, respectively, after UNSM treatment.
  • the difference in the indentation sizes of the two specimens before and after the UNSM treatment is shown in FIG.
  • the finer particles after UNSM treatment are directly responsible for the increase in surface hardness, which can be explained by the Hall-Petch relation.
  • Previous studies on TEM observation have shown that the increase in surface hardness can be due to the increased dislocation density and the area fraction of the grain boundaries.
  • Figure 8 shows the friction behavior of the specimen for sliding times up to 70 minutes.
  • the UNSM treated specimen showed a lower coefficient of friction than the untreated specimen.
  • the friction behavior increases sharply at the beginning of the slip due to surface contamination such as water absorbed from the atmosphere and initial true contact between the substrate and the counter surface. After reaching the peak, it gradually decreased with time and stabilized to a coefficient of friction of 0.41 and 0.36, respectively, for untreated and UNSM treated bulk specimens.
  • the high frictional behavior of the untreated specimens during the initial stage of the test is due to the planarization of the initial surface roughness. On the contrary, the friction behavior was relatively stable and relatively stable.
  • the friction behavior of specimens treated with UNSM began to fluctuate in the runnig-in and transition to steady-state. This rubbing behavior of the specimen generally occurs due to the plastic deformation of the asperity at the contact surface due to the initial contact surface roughness and high contact stress. That is, when the reciprocating sliding is continued, the contact area increases and a wear track is formed on the surface of the specimen.
  • the decrease in the coefficient of friction of the specimens treated with UNSM can be attributed mainly to changes in surface roughness and the presence of deformed surfaces by the UNSM technique.
  • Figure 9 shows a wear track image of untreated and UNSM treated bulk and 3D printed specimens.
  • the SEM image shows that the wear track formed on the surface of the UNSM treated specimen is very different from the wear track of the untreated specimen.
  • the wear track was partially formed by the corrugated surface, which prevented the specimen from fully contacting the mating surface.
  • some exfoliated particles are observed on the surface due to the true contact area and the initial surface roughness, which is relatively smoother than the UNSM treated specimens.
  • the specific wear rate was quantified according to the cross-sectional profile of each wear track and wear test conditions, and the non-abrasion rates of untreated and UNSM treated bulk and 3D-printed specimens were 5.6 ⁇ 10 -6 mm 3 / Nm and 3.4 ⁇ 10 -6 mm 3 / Nm, 2.4 10 -6 mm 3 / Nm, and 1.3 10 -6 mm 3 / Nm. It is clear that bulk specimens have low abrasion resistance compared to 3D printed specimens.
  • the wear mechanism of the untreated specimen was adhesive wear mainly due to plastic deformation during sliding contact, as shown in Figs. 9 (a) and (c).
  • the oxide layer is not particularly advantageous for reducing the coefficient of friction and also lowers the abrasion resistance of the material.
  • the present invention applies ultrasound nanocrystal surface modification (UNSM) technology to a layer or article made using 3D printing, which makes it possible to manufacture a product having remarkably improved hardness and superior friction and wear behavior compared to conventional bulk materials .
  • UNSM ultrasound nanocrystal surface modification

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Abstract

본 발명은 (a) 적층 가공(additive manufacturing, AM)으로 1개 층 이상의 층(layer) 또는 물품을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 1개 층 이상의 층 또는 상기 물품의 표면에 초음파 나노 결정 표면 개질(ultrasonic nanocrystalline surface modification, UNSM)을 수행하는 단계를 포함하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법에 대한 것으로서, 3D 프린팅을 이용해 제조된 층 또는 물품에 초음파 나노 결정 표면 개질(ultrasonic nanocrystalline surface modification, UNSM) 기술을 적용시킴으로써 기존의 벌크 소재를 이용한 물품에 비해 현저히 향상된 경도와 우수한 마찰 및 마모 거동을 가지는 제품을 보다 저렴하게 제조할 수 있다.

Description

표면 처리된 적층 제조 물품의 제조방법
본 발명은 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는, 적층 제조 후 표면처리를 수행해 물품을 제조하는 방법에 대한 것이다.
적층 제조법(additive manufacturing, AM)은 3D 프린팅이라고도 불리며, 디지털 디자인 데이터를 이용, 소재를 적층(績層)해 3차원 물체를 제조하는 프로세스를 말한다.
이전까지의 제조 기술이 입체 형상의 재료를 기계가공 등을 통해 자르거나 깎는 방식으로 입체물을 생산하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing) 형식이었다면, 3D 프린팅에서는 이와 반대로 적층 방법을 취하며, 쾌속조형(Rapid Prototyping), 첨삭가공, Additive Fabrication, Layer Manufacturing, Freeform Fabrication 등의 용어와 함께 사용되기도 한다. 3D 프린팅 공정은 ① 디자인 SW 또는 3D 스캐너를 통한 3차원 디지털 도면 제작을 하는 모델링 ② 프린팅 ③ 서포터 제거, 연마, 염색, 표면 재료 증착 등 최종 상품화를 위한 마무리 공정의 3단계로 구분할 수 있다. 이러한 3D 프린팅의 장점으로는 ① 시제품의 제작 비용 및 시간 절감 ② 다품종 소량 생산·손쉬운 맞춤형 제작 ③ 복잡한 형상 제작 및 재료비 절감에 기여 ④ 제작 시 제조 공정 간소화 및 이에 따른 인건비, 조립 비용 절감 등이 꼽히고 있다. 또한 제품 대신 디지털 도면을 유통할 수 있으며, 원하는 장소에서 출력도 가능하다.
적층 제조법의 방식과 관련해, ASTM(American Society for Testing and Materials) F42 및 ISO TC261(Additive Manufacturing)에서는, 광중합 방식 (Photo polymerization, PP), 재료 압출 방식 (Material Extrusion, ME), 접착제 분사 방식 (Binder Jetting, BJ), 재료분사 방식 (Material Jetting, MJ), 고에너지 직접 조사 방식 (Direct Energy Deposition, DED), 분말 적층 용융 방식 (Powder Bed Fusion, PBF), 쉬트 적층 방식 (Sheet Lamination, SL) 등 7가지로 구분하여 정의하고 있다.
상기와 같은 적층 제조법에 있어서, 원소재로서 금속을 사용하는 금속 3D 프린팅은 재료 사용 최소화, 가벼운 구조로 복잡한 모양을 만들 수 있는 능력 및 보다 적은 에너지로 기계 부품 제조함에 따른 비용 절감과 같은 특성으로 인해 상당한 주목을 받고 있다.
금속 3D 프린팅은 전술한 적층 제조법 중 고에너지 직접 조사 방식 (Direct Energy Deposition, DED) 또는 분말 적층 용융 방식 (Powder Bed Fusion, PBF) 등에 의해 이루어질 수 있으며, 그 중에서도 DED 방식에 속하는 금속 와이어 아크 적층 제조법(Metal Wire Arc Additive Manufacturing, MWAAM) 및 적층 마찰 교반법(Additive Friction Stirring, AFS)이 최근 주목받고 있다.
상기 MWAAM 방식은 GMAW, GTAW, PAW 등의 아크를 열원으로 금속 용가재(filler metal)를 송급해 와이어를 적층함으로써 물품을 제조하는 공정이다.
상기 AFS 방식은 금속 또는 금속 매트릭스 복합재(MMC)의 증착을 위한 고상 열기계 공정(solid-state thermo-mechanical process)으로서, 벌크 또는 분말 형태의 용가재가 회전하는 AFS 공구를 통해 공급되면 기판 사이에서 강제 유동되어 심한 소성 변형, 동적 재결정, 압밀화(분말의 경우) 및 증착이 일어나 기판 상에 용가재를 이루는 소재가 적층되는 방식이다.
한편, 금속 3D 프린팅의 층별 공정(layer-by-layer processing)으로 만들어진 구조는 기계적 및 물리적 특성 측면에서 벌크 재료와 경쟁 할 수 있다. 3D 프린팅된 기계 부품은 기계 가공된 구성 요소와 비교하여 최대 60 % 더 가볍다. 이와 관련하여, 3D 프린팅 기술은 신소재의 다기능성 및 제품 복잡성에 대해 전술한 특성으로 인해 경제적 측면에서 수요가 높다. 예를 들어, 항공 우주 산업의 경우만 보더라도 기계 구성 요소의 무게를 줄이면 수십억 달러를 절약할 수 있다. 요즘에는 여러 가지 재료를 동시에 프린팅 할 수 있는 3D 프린팅 기술이 있으며 이는 금속 3D 프린팅 기술의 탁월한 발전을 보여준다. 또한, 지금까지 3D 프린팅 기술의 프로세스는 만족스러울 정도 수준의 정확도와 정밀도를 점차적으로 달성했다.
그러나, 금속 3D 프린팅 프로세스를 통해 제조되는 최종 제품과 관련된 해결해야 할 몇 가지 문제가 여전히 존재한다.
구체적으로, 기계적 특성 측면에서 금속 3D 프린팅의 주요 쟁점 중 하나는 주기적 하중(cyclic loading) 하에서 기계적 부품에 균열을 야기할 수 있는 미세 기공(micro-pore)의 존재한다는 것이다. 재료의 최종적인 마모, 피로, 부식 특성은 균열, 기공, 미용융 입자 등과 같은 표면 및 미세 구조 결함에 의해 결정될 수 있기 때문에, 재료의 미세구조 결함과 기계적 특성 사이의 관계는 매우 중요하다. 예를 들어, 서로 다른 적층 가공 방법에 의해 제조된 3D 프린팅된 AISI H13 공구강은 기공의 유해한 영향으로 인해 더 낮은 피로 강도를 갖는 것으로 알려져 있다.
또한, 금속 3D 프린팅은 잠열에 의한 HAZ(heat-affected zone) 인성(toughness) 저하와 잔류응력 특히, 인장 잔류응력이 피로강도 저하의 요인으로 알려져 있다.
금속 3D 프린팅에 전술한 AFS 방식을 적용할 경우, AFS 방식의 메커니즘(solid state layer bonding)의 특성상 상기한 문제점이 완화되기는 하지만, 결합층 간에 존재하는 불균일성과 잔류응력 특히 인장 잔류응력이 여전히 피로강도 저하의 요인으로 작용한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 금속 3D 프린팅 등의 적층 제조법을 통해 제조된 물품의 마찰마모를 포한한 기계적 성능을 기존의 성형 공정을 통해 제조된 벌크 소재에 준하거나 그 이상으로 향상시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은, (a) 적층 가공(additive manufacturing, AM)으로 1개 층 이상의 층(layer) 또는 물품을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 1개 층 이상의 층 또는 상기 물품의 표면에 초음파 나노 결정 표면 개질(ultrasonic nanocrystalline surface modification, UNSM)을 수행하는 단계를 포함하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (a)에서 층(layer) 또는 물품을, 광중합 방식(Photo polymerization, PP), 재료 압출 방식(Material Extrusion, ME), 접착제 분사 방식(Binder Jetting, BJ), 재료분사 방식(Material Jetting, MJ), 고에너지 직접 조사 방식(Direct Energy Deposition, DED), 분말 적층 용융 방식(Powder Bed Fusion, PBF) 및 쉬트 적층 방식(Sheet Lamination, SL)로부터 선택되는 어느 하나의 방식에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (a)에서 층(layer) 또는 물품은, 금속, 세라믹 및 금속 매트릭스 복합재료(Metal Matrix Composite, MMC)로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (a)에서 금속으로 이루어진 층(layer) 또는 물품을, 고에너지 직접 조사 방식(Direct Energy Deposition, DED) 또는 분말 적층 용융 방식(Powder Bed Fusion, PBF)을 이용해 제조하는 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (a)에서 금속으로 이루어진 층(layer) 또는 물품을, 금속 와이어 아크 적층 제조법(Metal Wire Arc Additive Manufacturing, MWAAM) 또는 적층 마찰 교반법(Additive Friction Stirring, AFS)을 이용해 제조하는 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (a)에서 세라믹으로 이루어진 층(layer) 또는 물품을, 접착제 분사 방식(Binder Jetting, BJ), 광중합 방식(Photo polymerization, PP) 및 재료 압출 방식(Material Extrusion, ME)로부터 선택되는 어느 하나의 방식을 이용해 제조하는 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (b)에서 적층 가공(additive manufacturing, AM)시 발생되는 잠열이 존재하는 상태에서 상기 1개 층 이상의 층 각각의 표면 또는 상기 물품 표면에 대해 초음파 나노 결정 표면 개질(UNSM)을 수행하는 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (b)에서 상기 1개 층 이상의 층(layer) 각각의 표면 또는 상기 물품 표면을 국부가열 하면서 초음파 나노 결정 표면 개질(UNSM)을 수행하는 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법을 제안한다.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 1개 층 이상의 층(layer) 또는 물품이 그 위에서 적층 조형되는 조형 스테이지를 포함하는 적층 제조부; 상기 적층 제조법부에 직렬 또는 병렬로 연결된 초음파 나노 결정 표면 개질(ultrasonic nanocrystalline surface modification, UNSM) 처리부; 및 상기 조형 스테이지를 적층 제조부와 초음파 나노 결정 표면 개질 처리부 간에 이동시킬 수 있는 조형 스테이지 구동부를 포함하는 물품제조장치를 제안한다.
또한, 상기 초음파 나노 결정 표면 개질 처리부는 적층 제조부로부터 이송된 1개 층 이상의 층(layer) 각각의 표면 또는 물품 표면에 국부가열 처리를 수행하기 위한 열처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조장치를 제안한다.
또한, 상기 열처리부는, 상기 적층 제조부로부터 이송된 1개 층 이상의 층(layer) 각각의 표면 또는 물품 표면의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및 상기 온도 측정부에서 측정된 온도에 따라 국부가열 처리 여부를 결정해 온도를 제어하며 상기 온도 측정부와 연결된 온도 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조장치를 제안한다.
또한, 상기 적층 제조부와 상기 초음파 나노 결정 표면 개질 처리부 사이 또는 상기 초음파 나노 결정 표면 개질 처리부의 후단에 설치되는 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조장치를 제안한다.
그리고, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 물품을 제안한다.
또한, AISI H13 공구강(tool steel)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 물품을 제안한다.
본 발명에 따른 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법은, 3D 프린팅을 이용해 제조된 층 또는 물품에 초음파 나노 결정 표면 개질(ultrasonic nanocrystal surface modification, UNSM) 기술을 적용시킴으로써 기존의 벌크 소재를 이용한 물품에 비해 현저히 향상된 경도와 우수한 마찰 및 마모 거동을 가지는 제품을 보다 저렴하게 제조할 수 있다.
나아가, 적층 제조 공정시 발생하는 잠열이 존재하는 상태에서 초음파 나노 결정 표면 개질을 하거나 층별 또는 최종 적층 제조 공정 완료 후 국부가열과 동시에 초음파 나노 결정 표면 개질을 함으로써, 적층 제조 공정에 의해 야기되는 미용융 결함(unmelting defect) 및 기공률(porosity)을 없애거나 줄이고, 적층 제조에 의해 형성된 층 또는 물품의 표면거칠기를 개선시키며, 적층 제조에 의해 형성된 층 또는 물품에 압축 잔류응력을 부가하고, 결정 입자를 미세화시켜 적층 공정에 의한 잠열로 성장한 결정 입자와 취성(brittleness)이 생긴 조직을 강화시킬 수 있다.
도 1은 UNSM 기술의 개략도이다.
도 2는 UNSM 처리의 기본 매개 변수 다이어그램이다.
도 3a 내지 도 3d는 UNSM 처리 전후의 벌크 AISI H13 공구강 시편(도 3a 및 도 3b)와 3D 프린팅된 AISI H13 공구강 시편(도 3c 및 도 3d)의 EBSD 이미지 및 매핑 결과이다.
도 4a 내지 도 4d는 UNSM 처리 전후의 벌크 AISI H13 공구강 시편(도 4a 및 도 4b)와 3D 프린팅 된 AISI H13 공구강 시편(도 4c 및 도 4d)의 방위차 각도(misorientation angle)에 대한 개수 분율(Number of fraction)을 나타낸다.
도 5a 내지 도 5d는 UNSM 처리 전후의 벌크 AISI H13 공구강 시편(도 5a 및 도 5b) 및 3D 프린팅된 AISI H13 공구강 시편(도 5c 및 도 5d) 의 표면 거칠기 비교 결과이다.
도 6은 UNSM 처리 전후의 벌크 및 3D 프린팅 AISI H13 공구강 시편의 표면 경도 비교 결과이다.
도 7a 내지 도 7d는 UNSM 처리 전후의 벌크 AISI H13 공구강 시편(도 7a 및 도 7b) 및 3D 프린팅된 AISI H13 공구강 시편(도 7c 및 도 7d)의 압흔(indent) SEM 이미지이다.
도 8a 및 도 8b는 UNSM 처리 전 후의 벌크 AISI H13 공구강 시편(도 8a)과 3D 프린팅 AISI H13 공구강 시편(도 8b)의 마찰 계수 비교 결과이다.
도 9a 내지 도 9b는 UNSM 처리 전후의 벌크 AISI H13 공구강 시편(도 9a 및 도 9b) 및 3D 프린팅된 AISI H13 공구강 시편(도 9c 및 도 9d)의 고배율 SEM 이미지이다.
도 10a 내지 도 10d는 UNSM 처리 전후의 벌크 AISI H13 공구강 시편(도 10a 및 도 10b) 및 3D 프린팅된 AISI H13 공구강 시편(도 10c 및 도 10d)의 마모 트랙의 EDX 스펙트럼이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은, 적층 제조법을 통해 제조된 물품의 마찰마모를 포한한 기계적 성능을 기존의 성형 공정을 통해 제조된 벌크 소재에 준하거나 그 이상으로 향상시키기 위한 방법에 대한 것이다.
구체적으로, 본 발명에 따른 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법은, (a) 적층 제조법(additive manufacturing, AM)으로 1개 층 이상의 층(layer) 또는 물품을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 1개 층 이상의 층 또는 상기 물품의 표면에 초음파 나노 결정 표면 개질(ultrasonic nanocrystalline surface modification, UNSM)을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 단계 (a)에서는 적층 제조법을 이용해 금속, 세라믹 또는 금속 매트릭스 복합재료(Metal Matrix Composite, MMC) 등의 복합소재로 이루어진 1개 층 이상의 층 또는 물품을 제조하게 된다.
본 단계 (a)의 적층 제조법을 수행하기 위한 구체적인 방법으로는 ASTM(American Society for Testing and Materials) F2792-12a에 정의된 3D 프린팅 방식으로서 광중합 방식 (Photo polymerization, PP), 재료 압출 방식 (Material Extrusion, ME), 접착제 분사 방식 (Binder Jetting, BJ), 재료분사 방식 (Material Jetting, MJ), 고에너지 직접 조사 방식 (Direct Energy Deposition, DED), 분말 적층 용융 방식 (Powder Bed Fusion, PBF), 쉬트 적층 방식 (Sheet Lamination, SL) 등을 들 수 있다.
상기 재료 압출 방식(Material Extrusion, ME)은 필라멘트 소재를 노즐을 통하여 가소화시킨 후 압출(Extrusion)시켜 형상을 제조하는 공법(FDM 등)이고, 재료분사 방식(Material Jetting, MJ)은 액상의 소재를 다수개의 미세노즐을 통해 분사한 후 경화시켜 형상을 제조하는 공법(Polyjet, MJM 등)이고, 접착제 분사 방식(Binder Jetting, BJ)은 액상 결합제를 다수개의 미세노즐을 통해 분사하여 분말소재를 선택적으로 결합시켜 형상을 제조하는 공법(3DP, CJP 등)이고, 쉬트 적층방식(Sheet Lamination, SL)은 판재형태의 소재를 원하는 단면으로 가공하고 접착하여 형상을 제조하는 공법(LOM, VLM 등), 광중합 방식(Photo polymerization, PP)은 액상의 폴리머를 광에너지를 이용하여 선택적으로 경화시켜 형상을 제조하는 공법(SLA, DLP 등)이며, 분말 적층 용융 방식(Powder Bed Fusion, PBF)은 파우더 챔버 내에서 높은 열에너지원(레이저)을 이용하여 선택적으로 소결/용해시켜 형상을 제조하는 공법(SLS, DMLS 등)이고, 고에너지 직접 조사 방식(Direct Energy Deposition, DED)은 금속표면에 레이저를 조사하여 국부적으로 용해된 Pool을 구성하고, 여기에 분말을 공급하여 형상을 제조하는 공법(MWAAM, LENS, DMT 등)이다.
상기 공법 중 금속으로 이루어진 물품을 제조하기에 바람직한 방법으로는 PBF 방식과 DED 방식 등을 들 수 있는데, 이들 각각의 방식에 따라서 장단점이 있지만, DED 공법이 현재로서는 PBF 공법보다 강성이 우수하고 대형부품적용에 유리한 점이 많아서 활발한 연구와 응용이 진행되고 있다.
PBF 및 DED 이외에도 전술한 AFS 방식도 금속 적층 제조품의 제조에 적합한 공법이다.
또한, 세라믹으로 이루어진 물품을 제조하기 위해서는, 일반적으로 분말 프린팅이라 알려져 있는 BJ 방식, FDM(fused deposition modeling)과 PED(paste extruding deposition)로 대표되는 ME 방식, SLA(stereolithography) 혹은 DLP(disital light processing)로 통칭되는 PP 방식을 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 단계 (b)에서는 상기 단계 (a)에서 적층 제조법으로 형성된 1개 층 이상의 층 또는 물품의 표면에 초음파 나노 결정 표면 개질(ultrasonic nanocrystalline surface modification, UNSM)을 수행하는 단계로서, 필요에 따라 적층 제조법에 의해 하나 또는 둘 이상의 층이 형성될 때마다 UNSM을 수행할 수도 있고, 적층 제조법에 의해 물품의 형상이 완전히 얻어진 후에 비로소 UNSM을 수행할 수도 있다.
본 단계에서 이루어지는 UNSM 처리의 일례로서, 1 내지 5mm 직경의 탄화텅스텐(WC)/질화규소(Si3N4) 팁을 초음파 장치(ultrasonic device)에 부착해 정적(static) 및 동적(dynamic) 힘이 결합되어 상기한 팁이 초당 20,000번 적층 제조층 또는 적층 제조 물품의 표면에 충격을 가해 해당 표면을 개질하며, 이와 같은 충격은 미세 냉간 단조(micro-cold-forging)로 간주될 수 있고, 표면층에 가소성 및 탄성 변형(plastic and elastic deformation)을 야기하여 깊은 잔류응력(residual stress)과 나노결정 구조(nanocrystalline structure)를 유도하며, 또한, 시편의 표면상에 무수한 불균일한 마이크로 딤플(micro-dimple)을 생성하여 표면의 특성을 개선한다.
즉, 본 단계를 수행함으로써 적층 제조법에 의해 제조되는 물품의 미세기공이나 미용융 분말 등을 제거하거나 최소화할 뿐 아니라, 취약한 기계적 물성(경도, 마찰/마모 특성, 피로강도 등)을 크게 개선시킬 수 있다.
나아가, 본 단계 (b)에서 적층 제조가 완료된 1개 층 이상의 층(layer) 각각의 표면 또는 상기 물품 표면에 대한 국부가열(local heating)을 UNSM 처리와 동시에 실시할 수 있다.
상기와 같이 적층 제조된 층 또는 물품에 국부가열을 UNSM 처리와 동시에실시하면, 극심한 탄소성변형 에너지를 부가하여 탄소 또는 질소 등의 원소를 내부로부터 표면층으로 이동시키고, 미세구조의 조직을 변경시키며, 결정입자를 미세화시키고 압축잔류응력을 부가할 수 있다.
또한, 본 단계 (b)에서는 상기 국부가열에 의한 효과와 동일한 효과가 발휘될 수 있도록, 적층 가공(additive manufacturing, AM)시 발생한 잠열이 존재하는 상태에서 UNSM 처리를 수행할 수 있다.
즉, 상기와 같이 적층 제조 공정시 발생하는 잠열이 존재하는 상태에서 초음파 나노 결정 표면 개질을 하거나, 층별 또는 최종 적층 제조 공정 완료 후 국부가열과 동시에 초음파 나노 결정 표면 개질을 함으로써, 적층 제조 공정에 의해 야기되는 미용융 결함(unmelting defect) 및 기공률(porosity)을 없애거나 줄이고, 적층 제조에 의해 형성된 층 또는 물품의 표면거칠기를 개선시키며, 적층 제조에 의해 형성된 층 또는 물품에 압축 잔류응력을 부가하고, 결정 입자를 미세화시켜 적층 공정에 의한 잠열로 성장한 결정 입자와 취성(brittleness)이 생긴 조직을 변화시킴으로써 피로강도를 획기적으로 개선시킬 수 있다.
상기 본 발명에 따른 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법에 의하면, 3D 프린팅을 이용해 제조된 층 또는 물품에 초음파 나노 결정 표면 개질(ultrasonic nanocrystalline surface modification, UNSM) 기술을 적용시킴으로써, 표면 경도를 높이고 표면 거칠기를 줄이며 큰 입자를 나노 크기의 입자로 미세화하여 마찰 및 마모 거동을 개선하고 재료의 피로 수명을 향상시켜, 기존의 벌크 소재를 이용한 물품에 비해 현저히 향상된 경도와 우수한 마찰 및 마모 거동을 가지는 제품을 보다 저렴하게 제조할 수 있다.
한편, 전술한 본 발명에 따른 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법을 구현하기 위한 물품제조장치의 일례로서, 1개 층 이상의 층(layer) 또는 물품이 그 위에서 적층 조형되는 조형 스테이지를 포함하는 적층 제조부; 상기 적층 제조법부에 직렬 또는 병렬로 연결된 초음파 나노 결정 표면 개질(ultrasonic nanocrystalline surface modification, UNSM) 처리부; 및 상기 조형 스테이지를 적층 제조법부와 초음파 나노 결정 표면 개질 처리부 간에 이동시킬 수 있는 조형 스테이지 구동부를 포함하는 물품제조장치를 들 수 있다.
또한, 전술한 국부가열 및 UNSM 처리에 의한 상승 효과를 달성하기 위해, 상기 초음파 나노 결정 표면 개질 처리부는 적층 제조부로부터 이송된 1개 층 이상의 층(layer) 각각의 표면 또는 물품 표면에 국부가열 처리를 수행하기 위한 열처리부를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 열처리부는 상기 적층 제조부로부터 이송된 1개 층 이상의 층(layer) 각각의 표면 또는 물품 표면의 온도를 측정하는 온도 측정부 및 상기 온도 측정부에서 측정된 온도에 따라 국부가열 처리 여부를 결정해 온도를 제어하며 상기 온도 측정부와 연결된 온도 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 물품제조장치는 조형 스테이지가 적층 제조부와 초음파 나노 결정 표면 개질 처리부 사이에서 이동하는 중에 열을 식힐 수 있도록 적층 제조부와 초음파 나노 결정 표면 개질 처리부 사이에 설치되는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 물품제조장치는 초음파 나노 결정 표면 개질 처리 후에 열을 식힐 수 있도록 초음파 나노 결정 표면 개질 처리부의 후단에 설치되는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예>
1. 3D 프린팅 및 UNSM 처리를 이용한 시편의 제조
(1) 직접 금속 툴링(direct metal tooling, DMT)을 이용한 시편 제조
3D 프린팅 공정 후에 추가적인 열처리 공정이 이루어지지 않으므로 열처리하지 않은 3D 시편과 벌크 시편의 성질을 비교하기 위해 담금질 및 템퍼링 열처리 공정으로 전처리하지 않은 기본 소재로서 바(bar) 형상의 AISI H13 강을 선택했다.
참고로, AISI H13 공구강은 높은 경화능 특성, 우수한 내마모성, 고온 인성, 우수한 열충격 내성 등으로 인해 다양한 산업 분야에서 압력 다이캐스팅 공구, 압출 공구, 단조 다이, 고온 전단 블레이드, 플라스틱 몰드 캐비티, 산업용 나이프, 샷 슬리브 등과 같은 열간 및 냉간 가공에서 다양한 공구로서 사용되는 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 고온 가공 강이다. AISI H13 강의 경도는 주기적인 가열 및 냉각 공정의 결과로서 발생하는 열 피로 균열에 대한 저항하는 역할을 한다. AISI H13 강은 높은 인성 및 열 피로 균열에 대한 높은 저항성으로 인해 다른 공구강보다 고온 작업 공구로서 선호되는 우수한 재료이다. 따라서, AISI H13 강으로 제조 된 기계 부품 및 다이의 피로 수명을 연장시키기 위해 기계적 특성 및 내마모성을 증가시킬 필요가 있다. 또한, 경제적 관점에서 볼 때, 기계적, 물리적, 화학적, 마찰 공학적 등의 특성을 유지 또는 향상시키면서 이들 부품을 가볍게 만드는 것이 필요하다. 일반적으로, 소재는 기계적 특성을 향상시키기 위해 열처리를 거치게 된다. 담금질(quenching) 후 AISI H13의 경도는 48-50 HRC 범위이다. 몰리브덴(Mo)과 바나듐(V)은 강화제strengthening agent 역할을 한다. Cr은 AISI H13 강재의 고온에서의 연화softening 저항을 증가시키는 것을 돕는다.
본 실시예에서는 1kW 이터븀 섬유 레이저(Ytterbium fiber laser)로 작동하는 레이저 지원 직접 금속 툴링(direct metal tooling, DMT) 머신 (MX-450, InssTak Inc.)를 사용하는 3D 프린팅으로 AISI H13 공구강을 제조하였다. DMT에 있어서 레이저 에너지는 분말 금속을 밀폐된 빌드 챔버에서 녹여 층별로 완전히 구현된 부품을 만든다. DMT는 선택된 금속으로 신속한 프로토 타이핑, 툴링 및 기능성 부품 제조에 적용 할 수 있는 적층 가공 방법 중 하나로서 층(layer)를 쌓아 구조를 만드는 방법이다. 챔버 내에 불활성 가스를 불어 넣으면서 고출력 레이저 하에서 공급 분말을 국부적으로 용융시킴으로써 이전에 형성된 층상에 새로운 층을 증착킨다. 본 실시예에서 사용된 H13 공구강은 높은 경화능(hardenability), 우수한 내마모성 및 고온 인성을 제공할 수있는 마르텐사이트계 합금강이지만, DMT 처리된 H13은 신속한 용해, 냉각 및 재가열을 경험하므로 재료 특성은 기존의 재료 특성과 동일할 수 없다. 또한, 레이저 공정 방향 및 공극(void)이 특성에 영향을 준다.
열 발생에 의한 응력의 발생 및 미세 구조의 변화를 피하기 위해 선(wire) 직경 0.14 mm의 와이어 커팅을 사용하여 10×10×3 mm3 치수의 판 형상으로 소재를 절단하였다. 두 시편의 화학적 조성과 기계적 성질은 각각 표 1(벌크 및 3D 프린팅된 AISI H13 공구강의 화학 조성(중량 %))과 표 2(벌크 및 3D 프린팅된 AISI H13 공구강의 기계적 성질)에 나타냈다. 약 0.1 μm의 유사한 평균 표면 거칠기를 얻기 위해 탄화 규소(SiC) 사포(최대 #2000)를 사용하여 시편 표면을 연마했다. 또한, 표면 특성 분석을 위해 1 μm 다이아몬드 현탁액을 사용하여 거울과 같은 시편 표면을 얻었다.
Figure PCTKR2018015187-appb-T000001
Figure PCTKR2018015187-appb-T000002
(2) UNSM 처리
UNSM 기술은 특허 받은 소재 강화 기술이다. UNSM 기술은 2.38 mm 직경의 탄화 텅스텐(WC)/질화규소(Si3N4) 팁을 사용하여 초당 20,000번까지 시편 표면에 충격을 가하여 소재 표면에서 일정한 깊이에 이르기까지 조대 입자를 나노 크기의 입자로 변형시킨다. 내장(built-in house) UNSM 장치의 개략도는 도 1에 나와 있다. 이러한 UNSM 처리 과정에서 정적(static) 하중(Pst)뿐만 아니라 동적(dynamic) 하중 (Pdy = P sin2πft)이 표면에 가해진 다. 도 1에 도시된 발진기 및 압전 변환기는 20 kHz로 초음파를 방출한다. 파동은 음향 부스터(acoustic booster)를 통과할 때 증폭된다. 표면과 접촉하는 진동 부분의 치수는 10 ~ 100 μm의 진동 진폭을 얻을 수 있게 함으로써 처리 대상 표면에서 균일한 처리가 이루어진다. UNSM의 원리는 음향학적으로 튜닝된(acoustically tuned) 몸체의 고주파 진동harmonic oscillation을 초음파 주파수의 공진 임펄스resonant impulse로 전환하는 것을 기반으로 한다. 음향학적으로 튜닝된 몸체는 초음파 변환기에 전원을 공급하여 공진 상태가 된다. UNSM 기술 장치는 임의의 수치 제어(NC) 및/또는 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기계 상의 상이한 위치에 설치될 수 있다. 본 실시예에서 UNSM 처리 공정은 평면가공과 환형물가공이 가능한 복합 CNC 공작기계기계에서 수행되었다. UNSM 처리의 궤적은 도 2에 묘사되어 있다.
표 3(벌크 및 3D 프린팅된 AISI H13 공구강에 적용된 UNSM 처리 공정 변수와 적용 값)에 나열된 공정 변수에 따라 시편을 UNSM 처리했다. 최적의 처리 조건은 소재의 표면 상태에 따라 적절하게 선정한 후, 처리 결과의 표면상태의 기계적 특성 등을 분석한 후 최적의 조건을 찾아야 한다. 표 3에서 알 수 있듯이 벌크 및 3D 프린팅된 AISI H13 강 시편에 적용된 정적 하중은 시편의 초기 표면 경도를 고려하여 각각 30 및 70N를 선정하였다. UNSM 처리 전에 시편을 에탄올과 탈이온수로 10 분간 초음파조에서 세정하여 먼지와 입자가 없는 깨끗한 표면을 유지했다.
Figure PCTKR2018015187-appb-T000003
2. 시편 미세 구조 분석
도 3은 EBSD 기술을 사용하여 벌크 및 3D 프린팅된 시편의 매핑(mapping)과 함께 조직형상을 보여준다. 도 3(a)로부터, 벌크 시편의 평균 입경은 길이 방향으로 5 ~ 30㎛의 범위에 있음을 알 수 있다. 도 3(b)로부터, UNSM 처리가 조대 입자를 길이 방향으로 1 내지 10㎛의 미세 입자로 미세화시켰음을 확인할 수 있다. UNSM으로 처리한 시편의 입자 크기를 미세하게 하는 것은 UNSM 처리 과정에서 일어나는 연속적인 충돌에 따른 것일 수 있으며, 이는 특정 깊이 내에서 상부 표면에 심한 소성 변형을 유도한다. 도 3(c 및 d)에서 보여지는 것처럼 3D 프린팅된 시편의 경우 조대 입자들 사이에서 적층 가공 동안의 가열에 기인한 미세화된 입자의 존재가 관찰되어 입자 크기의 분포가 광범위한 것으로 나타났다. 조대한 입자는 UNSM 처리로 더욱 미세화되며, 평균 입자 크기는 50nm 미만이다. UNSM 기술은 입자 크기가 100 nm 미만인 나노 구조 재료를 제조할 수 있다고 이전에 보고된 바 있다. UNSM 처리에 의한 입자 크기의 미세화는 SPD 방법으로 설명 할 수 있는데, SPD 방법에 의하면 전위 축적(dislocation accumulation)이 먼저 발생하고 그 다음에 아결정립(sub-grain)이 형성되고, 일부 전위는 아결정립 경계에서 소멸되어서 방위차 각도(misorientation angle)를 증가시키며, 마지막으로, SPD에 의한 전위의 형성과 결정립계에서의 전위의 흡수 사이의 균형이 성립된다. 조대 결정립이 나노 결정립으로 미세화됨으로써 결정립계의 수가 상당히 증가한다. 또한, 결정립 내에 다량의 전위가 형성되고, 에너지 수준을 낮추기 위해 전위가 재배열되고, UNSM 처리 중에 다량의 입계가 형성되는 것이 설명될 수 있다.
EBSD 기법을 사용하여 얻은 벌크 및 3D 프린팅된 시편의 방위차 각도에 대한 개수 분율(Number of fraction)를 도 4에 나타내었다. 도 4(a 및 b)에 나타낸 바와 같이 벌크 시편의 경우 명확하게 UNSM 처리 후 시편의 개수 분율(Number of fraction)이 증가한다는 것을 보여 주었다. 소각결정립계(low angle grain boundary, LAGB)의 양은 21에서 34 %로 증가하는 반면 고각결정립계(high angle grain boundary, HAGB)의 양은 79에서 66 %로 감소했다. 도 4(c 및 d)에 도시 된 3D 프린팅된 시편의 경우, LAGB의 양은 8에서 17 %로 증가하지만, HAGB의 양은 92에서 83 %로 감소한다. 이러한 결정립계의 변화는 UNSM 처리에 의한 결정립계의 증가로 인한 것일 수 있다. 입자 미세화로 인해 재료의 경도와 같은 기계적 특성이 크게 증가 할 수 있다.
3. 시편 표면 거칠기 및 표면 경도 측정 및 분석
UNSM 처리 전후의 시편의 표면 거칠기는 도 5에서와 같이 측정되었다. UNSM 처리 후 벌크 시편의 평균 표면 조도가 0.445에서 0.563 μm로 증가한 반면 3D 프린팅된 미처리 및 UNSM 처리된 시편의 평균 표면 거칠기는 각각 0.451 및 0.454 μm로서 유의한 변화가 나타나지 않았다. 표 3에 기재한대로 거리가 70 μm인 시편 표면에 UNSM 처리 트랙이 명확하게 생성되어 있음을 도 5(b)에서 알 수 있다. 이러한 주름진(corrugated) 표면은 UNSM 처리의 전후방 이동에 이해 생성된다. 미처리 및 UNSM 처리 시편의 상부 표면 이미지는 UNSM 처리로 인해 표본 표면에 마이크로 딤플(micro-dimple)이 형성되었음을 확인시켜준다. 표면 상에 마이크로 딤플을 생성하기 위해 이용 가능한 일부 표면 개질 기술이 있으며, 이는 재료의 마찰 특성에 유익한 효과를 갖는다. 예를 들어, 원하는 마이크로 딤플은 레이저 표면 텍스처링(LST) 기술로 제조 될 수 있지만, 이 경우의 마이크로 딤플 크기는 UNSM 처리로 생성된 마이크로 딤플 크기와 비교하여 상대적으로 크다.
UNSM 처리 전후의 시편의 표면 경도를 측정하여 UNSM 처리 후의 입자 미세화가 표면 경도에 미치는 영향 및 표면 경도 값의 비교를 도 6에 나타냈다. UNSM 처리된 시편은 모두 벌크 시편 및 3D 프린팅된 시편과 비교하여 현저한 높은 경도를 나타냈다. 벌크 시편 및 3D 프린팅된 시편의 표면 경도는 각각 45, 58 HRC 에서 UNSM 처리 후 52, 66 HRC로 증가되었다.
UNSM 처리 전후의 두 시편의 압흔(indentation) 크기의 차이는 도 7에 도시되어 있다. UNSM 처리 후 미세화된 입자는 홀-페치 관계식(Hall-Petch erelationship)에 따라 설명할 수 있는 표면 경도 증가에 직접적인 원인이 된다. TEM 관찰에 대한 이전의 연구에 따르면, 표면 경도의 증가는 높은 전위 밀도 및 결정립계의 면적 분율 증가로 인한 것일 수 있음이 밝혀졌다.
4. 마찰 및 마모 거동 측정 및 분석
UNSM 처리가 마찰 및 마모 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해 건식 미끄럼 마찰 시험(dry sliding friction test)을 벌크 및 3D 프린팅된 미처리 및 UNSM 처리 표본에 대해 수행했다. 도 8은 70 분까지의 슬라이딩 시간에 대한 시편의 마찰 거동을 보여준다. 두 시편 모두에서 UNSM 처리된 시편이 처리되지 않은 시편과 비교하여 낮은 마찰 계수를 나타냄을 발견했다. 벌크 시편의 경우, 대기로부터 흡수된 물과 같은 표면 오염 및 기판과 상대(counter) 표면 사이의 초기 실제 접촉(initial true contact)으로 인해 마찰 거동은 미끄럼이 시작될 때 급격히 증가한다. 최고점에 도달 후 점차적으로 시간 경과에 따라 감소하고 미처리 및 UNSM 처리된 벌크 시편에 대해 각각 0.41 및 0.36의 마찰 계수 값으로 안정화 되었다. 러닝인(runnig-in) 및 정상 상태(steady-state) 구간에서 미처리 시험편의 마찰 계수는 UNSM 처리된 시험편의 마찰 계수보다 약 14% 높았다. 3 차원 프린팅된 시편의 경우 마찰 거동은 슬라이딩이 시작될 때 급격하게 증가했다. 한편, UNSM으로 처리한 시편이 처리되지 않은 시편에 비해 약 20 %만큼 더 높은 감소율을 보이는 것으로 나타났는데, 이는 주름진 표면의 존재로 인해 계면에서 접촉 면적이 감소함에 따른 것이다.
시험 초기 단계에서 미처리 시험편에 짧은 시간 동안 나타나는 높은 마찰 거동은 초기 표면 거칠기의 평탄화 현상에 기인한다. 반대로, 마찰 거동은 변동이 적고 비교적 안정적이었다. 그러나, UNSM으로 처리된 시험편의 마찰 거동은 러닝인(runnig-in)에서 및 정상 상태(steady-state)로의 이행기에서 변동하기 시작했다. 시편의 이러한 마찰 거동은 일반적으로 초기 접촉면 거칠기와 높은 접촉 응력으로 인한 접촉면에서의 접촉 돌기(asperity)의 소성 변형 때문에 발생한다. 즉, 왕복 슬라이딩을 계속하면 접촉 면적이 증가하여 시편 표면에 마모 트랙이 형성된다. UNSM으로 처리한 시편의 마찰 계수 감소는 주로 표면 거칠기의 변화와 UNSM 기술에 의한 변형된 표면의 존재에 기인한다고 볼 수 있다.
도 9는 미처리 및 UNSM 처리 벌크 및 3D 프린팅된 시편의 마모 트랙 이미지를 나타낸다. 명백히 SEM 이미지는 UNSM 처리된 시편의 표면에 형성된 마모 트랙이 처리되지 않은 시편의 마모 트랙과 매우 다르다는 것을 보여주었다. 또한, 마찰 시험 후 시편의 표면 거칠기에 큰 차이가 있음을 알 수 있다. 그러나 UNSM으로 처리한 시편의 경우, 시편이 상대 표면과 완전히 접촉하지 못하게 하는 주름진 표면으로 인해 마모 트랙이 부분적으로 형성되었다. 미처리 시편의 경우 표면에 약간의 박리된 입자가 관찰되는데, 이는 진정 접촉 면적(true contact area)과 UNSM으로 처리된 시험편보다 상대적으로 더 매끈한 초기 표면 거칠기에 기인한다. 비마모율(specific wear rate)은 각 마모 트랙과 마모 테스트 조건의 단면 프로파일에 따라 정량화되었으며, 미처리 및 UNSM 처리된 벌크 및 3D 프린팅된 시편의 비마모율은 5.6 × 10-6 mm3/Nm, 3.4 × 10-6 mm3/Nm, 2.4 × 10-6 mm3/Nm, 1.3 × 10-6 mm3/Nm이다. 벌크 시편은 3D 프린팅된 시편과 비교하여 낮은 내마모성을 가짐이 명백하다. 미처리된 시편의 마모 메카니즘은 도 9(a 및 c)에 도시된 바와 같이 미끄럼 접촉 동안의 소성 변형에 주로 기인한 접착 마모(adhesive wear)였다. UNSM으로 처리한 시편의 마모 트랙에는 균열이 없었던 반면, 도 9(b 및 d)에 도시된 것처럼 미처리된 마모 트랙 내부의 미세 균열(화살표로 표시됨)의 존재가 고배율 SEM 이미지로 확인되었다. 연마 마모(abrasion wear)는 UNSM 처리된 시편의 표면에서 관찰할 수 있는데, 이는 UNSM 처리에 의해 유도된 거친 표면에서 파생된 초기 돌기의 분리에 주로 기인한다. 접착 마모의 발생은 직접적인 금속-금속 접촉을 발생시키는 접촉 응력으로 인해 돌기 위의 산화물 층이 쉽게 파괴된다는 설명이 가능하다.
마모 트랙의 화학적 상태를 조사하기 위해 각 시편의 마모 트랙에 EDS에 수행해 그 결과를 도 10(a) 내지 도 10(d)에 도시했다. 도 10(a 및 b)에 나타낸 것처럼 상대 운동으로 재료의 건식 미끄럼이 일어나는 동안 형성되며, 마찰 및 마모 메커니즘에 특별한 영향을 미치는 산화물이 검출되었음이 밝혀졌다. 도 10(c 및 d)에 도시 된 바와 같이, 산화 마모(oxidative wear)는 3D 프린팅된 시편에서 지배적인 것으로 밝혀졌다. 그러나, UNSM 처리된 시편이 건조한 상태에서 상대 표면과 접촉하는 계면과 비교하여 미처리된 시험편이 상대 표면과 접촉하는 계면에서 산화 정도가 훨씬 더 높았다 또한, 계면에서의 산화막의 존재는 도 8에 나타난 미끄럼 시간 동안 마찰의 정상 상태 거동의 결여를 초래할 수 있다. 따라서, 산화물층은 마찰 계수를 감소시키는데 특별히 유리하지 않으며 또한 재료의 내마모성도 저하시킨다.
본 발명은 3D 프린팅을 이용해 제조된 층 또는 물품에 초음파 나노 결정 표면 개질(UNSM) 기술을 적용해, 기존의 벌크 소재를 이용한 물품에 비해 현저히 향상된 경도와 우수한 마찰 및 마모 거동을 가지는 제품을 보다 저렴하게 제조할 수 있다.

Claims (8)

  1. (a) 적층 가공(additive manufacturing, AM)으로 1개 층 이상의 층(layer)을 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 1개 층 이상의 층의 표면에 초음파 나노 결정 표면 개질(ultrasonic nanocrystalline surface modification, UNSM)을 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 단계 (b)에서 적층 가공(additive manufacturing, AM)시 발생되는 잠열이 존재하는 상태에서 상기 1개 층 이상의 층 각각의 표면에 대해 초음파 나노 결정 표면 개질(UNSM)을 수행하는 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 층(layer)을, 광중합 방식(Photo polymerization, PP), 재료 압출 방식(Material Extrusion, ME), 접착제 분사 방식(Binder Jetting, BJ), 재료분사 방식(Material Jetting, MJ), 고에너지 직접 조사 방식(Direct Energy Deposition, DED), 분말 적층 용융 방식(Powder Bed Fusion,PBF) 및 쉬트 적층 방식(Sheet Lamination, SL)로부터 선택되는 어느 하나의 방식에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 층(layer)은, 금속, 세라믹 및 금속 매트릭스 복합재료(Metal Matrix Composite, MMC)로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 금속으로 이루어진 층(layer)을, 고에너지 직접 조사 방식(Direct Energy Deposition, DED) 또는 분말 적층 용융 방식(Powder Bed Fusion,PBF)을 이용해 제조하는 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 금속으로 이루어진 층(layer)을, 금속 와이어 아크 적층 제조법(Metal Wire Arc Additive Manufacturing, MWAAM) 또는 적층 마찰 교반법(Additive Friction Stirring, AFS)을 이용해 제조하는 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 세라믹으로 이루어진 층(layer)을, 접착제 분사 방식(Binder Jetting, BJ), 광중합 방식(Photo polymerization, PP) 및 재료 압출 방식(Material Extrusion, ME)로부터 선택되는 어느 하나의 방식을 이용해 제조하는 것을 특징으로 하는 적층 제조법을 이용한 물품의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 물품.
  8. 제7항에 있어서, AISI H13 공구강(tool steel)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 물품.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200003297A (ko) * 2018-06-15 2020-01-09 부산대학교 산학협력단 내마모 금속표면 처리 방법 및 장치
US11214002B2 (en) 2019-10-18 2022-01-04 Hamilton Sundstrand Corporation Additively manufacturing of amorphous structures
CN114985769A (zh) * 2022-04-28 2022-09-02 西安交通大学 一种全流程超声波辅助半固态增材制造装置及工艺

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102154624B1 (ko) * 2019-01-11 2020-09-10 울산대학교 산학협력단 펀치금형 고강도소재 적층장치
KR102078814B1 (ko) * 2019-07-29 2020-04-07 주식회사 에스에프에스 하이브리드 3차원 프린터

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100894499B1 (ko) * 2008-05-14 2009-04-22 (주)디자인메카 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치 및 가공방법
JP4777775B2 (ja) * 2003-03-10 2011-09-21 有限会社リナシメタリ 金属体の加工方法及び金属体の加工装置
KR101603903B1 (ko) * 2015-08-11 2016-03-17 한국생산기술연구원 3d 프린팅 금속 임플란트의 표면특성 개질방법
KR20160121771A (ko) * 2015-04-09 2016-10-20 한국전자통신연구원 3d 프린팅용 금속 소재, 그 제조 방법, 및 그를 이용한 3d 프린팅 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4777775B2 (ja) * 2003-03-10 2011-09-21 有限会社リナシメタリ 金属体の加工方法及び金属体の加工装置
KR100894499B1 (ko) * 2008-05-14 2009-04-22 (주)디자인메카 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치 및 가공방법
KR20160121771A (ko) * 2015-04-09 2016-10-20 한국전자통신연구원 3d 프린팅용 금속 소재, 그 제조 방법, 및 그를 이용한 3d 프린팅 방법
KR101603903B1 (ko) * 2015-08-11 2016-03-17 한국생산기술연구원 3d 프린팅 금속 임플란트의 표면특성 개질방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LEE, SEUNG CHEOL ET AL.: "A Comparison in Wear Behavior of Bulk and 3D Printing SKD61", KSPE 2016 FALL CONFERENCE, pages 128 - 130 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200003297A (ko) * 2018-06-15 2020-01-09 부산대학교 산학협력단 내마모 금속표면 처리 방법 및 장치
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CN114985769A (zh) * 2022-04-28 2022-09-02 西安交通大学 一种全流程超声波辅助半固态增材制造装置及工艺
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