WO2020111643A1 - 단속 미세조직 층이 형성된 전자부품 임베디드 금속 부품 및 이의 제조방법 - Google Patents

단속 미세조직 층이 형성된 전자부품 임베디드 금속 부품 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2020111643A1
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metal
metal component
printing
component
cage
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PCT/KR2019/015944
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정임두
양상선
최중호
김용진
유지훈
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한국기계연구원
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to an electronic component embedded metal part having an intermittent microstructure layer formed thereon and a method for manufacturing the same, more specifically, including an electronic part, and produced by a two-step metal 3D printing method, an intermittent microstructure layer is formed Electronic parts Embedded metal parts and a method for manufacturing the same.
  • the 3D printer produces a three-dimensional product by stacking materials one by one by continuously reconstructing the two-dimensional cross-section for a digitized three-dimensional product design.
  • the main material for the existing 3D printing was synthetic resin, but in recent years, as it is diversified into engineering plastics and metal powders, industrial fields that can be utilized are also expanding.
  • Metal 3D printers can be roughly divided into two categories.
  • the first is the Powder Bed Fusion (PBF) method.
  • PPF Powder Bed Fusion
  • DED Direct Energy Deposition
  • This method is a method in which powder is supplied in real time in a protective gas atmosphere and melted and stacked immediately after being supplied using a high-power laser.
  • Korean Patent Publication No. 10-2018-0003141 discloses a metal powder 3D printing apparatus using plasma treatment, and specifically, a metal powder is used as a raw material, and the metal powder is irradiated with a laser to obtain a three-dimensional shape.
  • a metal powder 3D printing apparatus using plasma processing characterized in that it comprises a plasma processor for plasma processing the metal powder prior to irradiation through the laser.
  • the above technique is a technique to achieve a process economy and improve the quality of the final product by pre-processing the raw material before 3D printing of the metal powder.
  • Korean Patent Registration No. 10-1611566 discloses a 3D metal printing apparatus and a printing method using the same, specifically, a stage 1; A nozzle 2 for discharging a liquid metal formate solution in which metal ions are dissolved on an upper surface of the stage 1 from the upper side of the stage 1; A laser irradiator (3) for irradiating a laser beam to the stage (1) to deposit metal by a local thermo-chemical reaction in a metal formate solution discharged to the stage (1) through the nozzle (2);
  • the heater 22 is installed on the nozzle 2 to heat the metal formate solution by heating the nozzle 2; includes, the axis of the laser beam emitted from the laser irradiator 3 is the axis of the nozzle 2
  • Disclosed is a three-dimensional metal printing apparatus characterized in that the laser beam is irradiated to the metal formate solution from the outside of the nozzle 2 to achieve a certain angle.
  • the above technology can produce a desired metal three-dimensional shape by continuously depositing metal while changing the relative position between the stage and the laser irradiator through a path by 3D CAD data, and it is possible to output in a direction perpendicular to the progress surface of the shape. It is a technology that does not require a separate supporter.
  • the condition observation of metal parts is very critical for safety, and for this purpose, after dismantling all parts of the aircraft every time, attach the observation equipment to the surface of each metal part and check the condition. After analysis, after removing the observation equipment, a method is very inconvenient to reassemble the parts, and is time consuming, and a method in which a safety problem may occur in the process has been performed.
  • Korean Patent Publication No. 10-2012-0138541 discloses a method for mounting a rotor blade measurement sensor and a wire of a rotorcraft, and specifically, removing the paint on the surface of the rotor blade (S1); Mounting a magnet wire and a measurement sensor on the surface of the rotor blade from which the paint has been removed (S2); A step (S3) of soldering the terminal of the measurement sensor terminal and the magnet wire; Disclosed is a method for mounting a rotor blade measurement sensor and a wire for a rotorcraft, characterized in that it comprises a step (S5) of forming a coating layer for protecting the measurement sensor and the magnet wire.
  • the above method has a problem in that the sensor is fixed to the outside of the blade by mounting and soldering the measurement sensor on the surface of the rotor blade, so that the sensor may be detached depending on the external environment.
  • the inventors of the present invention have completed the present invention by studying a method of manufacturing a metal part including an electronic part through a metal 3D printing technology.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-2018-0003141
  • Patent Document 2 Korean Registered Patent No. 10-1611566
  • Patent Document 3 Korean Patent Publication No. 10-2012-0138541
  • An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a metal part in which an electronic part is inserted and a metal part in which an electronic part is inserted.
  • the present invention is a first metal component including a cage; An electronic component located inside the cage; And a second metal component formed on the first metal component, wherein the first metal component includes an elongated first dendrite microstructure extending in the z-axis direction, and the second metal component is , A long, second dendrite microstructure extending in the z-axis direction is provided, and a metal component including a microstructure extending in a horizontal direction is provided on an interface between the first metal component and the second metal component.
  • the present invention provides the first metal component, a metal component formed through a first step metal 3D printing method, and the second metal component is formed through a second step metal 3D printing method.
  • the present invention the first metal component, the first step metal 3D printing method, the final formed by the end of the first metal 3D printing end surface, the second metal component, the second metal And a first step metal 3D printing start surface formed by the start of the 3D printing method, a first step metal 3D printing end surface of the first metal part and a second step metal 3D printing start of the second metal part. It provides a metal part including a boundary surface that faces.
  • the first metal component and the second metal component have an interface between the first metal 3D printing end surface of the first metal component and the second metal 3D printing start surface of the second metal component. It provides a metal part characterized in that the contact surface.
  • the present invention provides a metal component further comprising a heat protection forming layer for sealing the cage.
  • the present invention is a first metal component; And a second metal component formed on the first metal component, wherein the first metal component includes an elongated first dendrite microstructure extending in the z-axis direction, and the second metal component is , A long, second dendrite microstructure extending in the z-axis direction is provided, and a metal component including a microstructure extending in a horizontal direction is provided on an interface between the first metal component and the second metal component.
  • the present invention the first metal component, the first step metal 3D printing method, the final formed by the end of the first metal 3D printing end surface, the second metal component, the second metal And a first step metal 3D printing start surface formed by the start of the 3D printing method, a first step metal 3D printing end surface of the first metal part and a second step metal 3D printing start of the second metal part. It provides a metal part including a boundary surface that faces.
  • the first metal component and the second metal component have an interface between the first metal 3D printing end surface of the first metal component and the second metal 3D printing start surface of the second metal component. It provides a metal part characterized in that the contact surface.
  • the anisotropy of the microstructure can be attenuated.
  • FIG. 1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a metal component including an electronic component according to the present invention
  • Figure 2a is an exploded view of a metal component according to the invention.
  • 2B is a schematic schematic diagram for explaining a method of manufacturing a metal component including an electronic component according to the present invention.
  • SLM selective laser melting
  • FIG. 4 is a photograph showing a microstructure of a metal part according to the present invention manufactured by a metal 3D printing method of a selective laser melting (SLM) method.
  • SLM selective laser melting
  • Figure 5 is a photograph showing the microstructure of the specimen prepared by the metal 3D printing method of the SLM (Selective laser melting) method.
  • 6A is an SEM photograph of a metal part manufactured by the method of the present invention.
  • 6B is an enlarged STEM photograph of portion A-B of FIG. 6A.
  • 6C is an atomic arrangement photograph of parts 1, 2 and 3 of FIG. 6B.
  • FIG. 7A is a schematic diagram for performing measurement by connecting a metal component of the present invention to a computer.
  • 7B is a graph for measuring the temperature of a metal component and a general sensor of the present invention.
  • 7C is a graph showing the temperature rise slope according to the heat conduction time of the metal component and the general sensor of the present invention.
  • Figure 7d is a graph that can confirm whether the metal parts of the present invention is damaged by heat.
  • spatially relative terms “below”, “beneath”, “lower”, “above”, “upper”, etc. are as shown in the figure. It can be used to easily describe a correlation between a component and other components. Spatially relative terms should be understood as terms including different directions of components in use or operation in addition to the directions shown in the drawings. For example, when a component shown in the drawing is turned over, a component described as “below” or “beneath” of another component will be placed “above” the other component. Can be. Accordingly, the exemplary term “below” can include both the directions below and above. Components can also be oriented in different directions, and thus spatially relative terms can be interpreted according to orientation.
  • FIG. 1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a metal component including an electronic component according to the present invention
  • 2B is a schematic schematic diagram for explaining a method of manufacturing a metal component including an electronic component according to the present invention.
  • a method of manufacturing a metal component including an electronic component according to the present invention includes a cage 120 having an open top through a first step metal 3D printing method. And manufacturing the first metal component 110 (S110).
  • the cage 120 means a space in which electronic components are inserted into metal components.
  • the manufacturing method of the present invention is a method of manufacturing a metal part including an electronic part.
  • the first metal part 110 including a cage in which the upper part is opened for inserting the electronic part, the first step metal Formation through 3D printing method.
  • the cage 120 can be formed precisely according to the inserted electronic component.
  • the first metal component is formed by the metal 3D printing method, and thus the shape of the cage can be precisely formed in accordance with the inserted electronic component.
  • the metal 3D printing method for forming the first metal component may be an electron beam melting (EBM) method, a selective laser melting (SLM) method, a selective laser sintering (SLS) method, or Any one selected from the Direct Metal Laser Sintering (DMLS) method can be used, and the metal 3D printing method is preferably a selective laser melting (SLM) method.
  • EBM electron beam melting
  • SLM selective laser melting
  • SLS selective laser sintering
  • DMLS Direct Metal Laser Sintering
  • SLM selective laser melting
  • the metal 3D printing method is not limited in the present invention.
  • the metal 3D printing method of the first step since the first metal part 110 is manufactured, in the case of the first metal part 110, the end surface of the first step metal 3D printing finally formed by the end of the first step metal 3D printing method ( 111).
  • the first step metal 3D printing end surface 111 finally formed by the end of the method may be formed on the upper surface of the first metal component 110. This will be described later.
  • a method of manufacturing a metal component including an electronic component according to the present invention includes a step of manufacturing a thermal protection forming layer 200 sealing the cage 120 (S120).
  • the thermal protection forming layer 200 for sealing the cage 120 may be formed through a metal 3D printing method.
  • the heat protection forming layer 200 is described later. , It is a configuration to protect the inserted electronic components from thermal shock.
  • the general metal 3D printing method may be performed by applying heat to an object through irradiation of a laser beam or an electron beam.
  • the agent in the process of forming the second metal component 310 on the top of the one metal component 110 in order to prevent the electronic component from being damaged by thermal shock, the thermal protection forming layer 200 may be introduced in the present invention. .
  • the thermal protection forming layer 200 should be fixed to the top of the cage while sealing the cage 120, and various methods can be used for this.
  • the shape of the heat protection forming layer may be formed in various shapes corresponding to the shape of the upper open surface of the cage.
  • a step 121 is formed along the upper edge of the cage 120, and the thermal protection forming layer 200 is along the upper edge of the cage 120.
  • the thermal protection forming layer 200 may be fixed to the upper portion of the cage while sealing the cage 120.
  • the present invention by forming the first metal component 110 and the heat protection forming layer 200 including the cage 120 having the step 121 through metal 3D printing, precise It is possible to form a step, and thus, the cage 120 can be precisely sealed, and as a result, it is possible to protect the electronic component from thermal shock in a later process.
  • the metal 3D printing method for forming the thermal protection forming layer 200 is an electron beam melting (EBM) method, a selective laser melting (SLM) method, a selective laser sintering (Selective Laser Sintering, SLS) Any one selected from the method or the Direct Metal Laser Sintering (DMLS) method can be used, and the metal 3D printing method is preferably a selective laser melting (SLM) method.
  • EBM electron beam melting
  • SLM selective laser melting
  • SLS selective laser sintering
  • DMLS Direct Metal Laser Sintering
  • SLM selective laser melting
  • the metal 3D printing method is not limited in the present invention.
  • the heat protection forming layer 200 may be manufactured by other processing methods other than the metal 3D printing method, and the present invention does not limit the manufacturing method of the heat protection forming layer 200.
  • the manufacturing method of the present invention by forming the first metal component 110 and the thermal protection forming layer 200 by the same metal 3D printing method, performing a process of manufacturing each component in one printing device This is possible to shorten the process time, it is possible to prevent the contamination of the first metal component and the thermal protection forming layer by an external environment.
  • the same material as the first metal component by using the cage for preventing thermal shock, there is an advantage that can fundamentally prevent the deterioration of the bonding characteristics between different materials.
  • the step of manufacturing a first metal component 110 including a cage 120 with an open top does not limit the order of the steps of manufacturing the heat protection forming layer 200 to seal.
  • the shape of the cage may be variously modified, and thus, the shape of the cage is not limited in the present invention.
  • the shape of the heat protection forming layer in the present invention is modified corresponding to the shape of the cage. Therefore, in the present invention, the shape of the thermal protection forming layer is not limited.
  • a method of manufacturing a metal component including an electronic component according to the present invention includes an electronic component (in the cage 120) of the first metal component 110. 300) is located (S130).
  • Positioning the electronic component 300 inside the cage 120 may be performed by inserting a pre-made electronic component into the cage 120.
  • the electronic component 300 may be various sensors or microchips such as a temperature sensor, a strain sensor, or a gyro sensor, but is not limited thereto, and for various purposes such as observation of a metal component or protection of an electronic component.
  • Various electronic components may be inserted, and thus, the type of the electronic components is not limited in the present invention.
  • positioning the electronic component 300 inside the cage 120 may be performed by inserting a previously manufactured electronic component into the cage 120.
  • positioning the electronic component 300 inside the cage 120 may be performed by a method of 3D printing the electronic component inside the cage 120.
  • the electronic component may be separately manufactured and introduced into the cage of the metal component. If the external shape of the electronic component is complicated, the first metal component may be used. For precise coupling of the cage and the electronic component, the electronic component may be printed by a 3D printing method such as a metal 3D printing method.
  • a method of manufacturing a metal component including an electronic component according to the present invention covers the thermal protection forming layer 200 on the upper portion of the cage 120, the It includes the step of closing the cage 120 (S140).
  • the thermal protection forming layer 200 after the electronic component is inserted into the cage 120 by a process described later, the second metal component (110) on the top of the first metal component (110) 310) in the process of forming, to protect the inserted electronic components from thermal shock, the thermal protection forming layer 200 can prevent the electronic components 300 from being damaged by thermal shock by the process described below. have.
  • a method of manufacturing a metal component including an electronic component according to the present invention is performed through the second step metal 3D printing method, And forming a second metal component 410 on the upper side (S150).
  • the second metal component 410 is formed on the upper portion of the first metal component 110 through the second step metal 3D printing method, and at this time, the metal 3D printing method for forming the second metal component Silver Electron Beam Melting (EBM) method, Selective Laser Melting (SLM) method, Selective Laser Sintering (SLS) method or Direct Metal Laser Sintering (DMLS) method
  • EBM Silver Electron Beam Melting
  • SLM Selective Laser Melting
  • SLS Selective Laser Sintering
  • DMLS Direct Metal Laser Sintering
  • the metal 3D printing method is preferably a selective laser melting (SLM) method.
  • the metal 3D printing method is not limited in the present invention.
  • the manufacturing method of the present invention in the process of forming the second metal component 410 on top of the first metal component 110, its process involves heat, the manufacturing method of the present invention
  • the electronic component is also used in the process of forming the second metal component 410. It can be safe from thermal shock.
  • the metal 3D printing method of the second step since the second metal component 410 is manufactured, in the case of the second metal component 410, the second metal 3D printing start surface 411, first formed by the start of the second metal 3D printing method ).
  • the second step metal 3D A second step metal 3D printing start surface 411 which is initially formed by the start of the printing method, may be formed on the lower surface of the second metal component 410. This will be described later.
  • the first metal component, the heat protection forming layer, and the second metal component may be formed of the same material.
  • the first metal component, the heat protection formation layer, and the second metal component are formed of the same material, there is an advantage of suppressing deterioration in physical properties of the metal component according to a process for inserting the electronic component into the metal component.
  • an interface is formed between the first metal component and the thermal protection forming layer, the first metal component and the second metal component, and the thermal protection forming layer and the second metal component.
  • the physical properties may decrease, and as a result, various physical properties of the final metal parts may be reduced, but in the manufacturing method of the present invention, the first metal part, the heat protection forming layer and the second metal part are formed of the same material. By doing so, it is possible to prevent the physical properties of the metal parts from deteriorating.
  • a metal part including the electronic part according to the present invention can be manufactured.
  • the first step of the metal 3D printing method in the case of the step of manufacturing the first metal component 110 including the cage 120 with the top open, the first step of the metal 3D printing method
  • the second metal component 410 is formed on the upper portion of the first metal component 110 through a second step metal 3D printing method, including a first stage metal 3D printing end surface 111 finally formed by termination.
  • the first step formed by the start of the second step metal 3D printing method includes a second step metal 3D printing start surface 411.
  • the first step metal 3D printing end surface 111 is formed on the upper surface of the first metal component 110.
  • a second step metal 3D printing start surface 411 may be formed on the lower surface of the second metal component 410.
  • SLM selective laser melting
  • Such a rapid cooling structure tends to reduce the elongation, while improving the strength.
  • elongated dendrites microstructures 510 and 520 are formed in a parallel direction in the z-axis direction, which is a height direction in which lamination is performed.
  • anisotropic mechanical It has physical properties.
  • Figure 4 is a photograph showing a microstructure of a metal part according to the present invention manufactured by a metal 3D printing method of a selective laser melting (SLM) method. At this time, Figure 4 can be understood as a microstructure along the cross section of the line I-I of Figure 2b.
  • SLM selective laser melting
  • the metal part 10 according to the present invention in the case of the first metal part 110 formed through the first step metal 3D printing method, the first step metal 3D printing end surface 111, In the case of the second metal part 410 formed through the second step metal 3D printing method, the second metal 3D printing start surface 411 may be formed on the upper surface of the first metal part 110. , May be formed on the lower surface of the second metal component 410.
  • the first surface metal 3D printing end surface 111 of the first metal part 110 and the second surface metal 3D printing start surface 411 of the second metal part 410 contact the boundary surface 420. Includes.
  • the metal component 10 according to the present invention, as shown in Figure 3 above, the elongated dendrite microstructure of the parallel form in the z-axis direction, which is the height direction of lamination is generated, , Therefore, the first metal component 110 includes an elongated first dendrite microstructure 610 extending in the z-axis direction, and the second metal component 410 extends in the z-axis direction It includes an elongated second dendrite microstructure 620 in the form.
  • the first step metal 3D printing process and the second step metal 3D printing process are performed separately, natural cooling or artificial cooling occurs for a certain period of time between successive printing processes.
  • the elongated dendrites microstructures extending in the z-axis direction appearing in a continuous process are cut off at the interface, and the microstructures 630 extending in the horizontal direction of the first metal component 110 described above
  • the first step metal 3D printing end surface 111 and the second step metal 3D printing start surface 411 of the second metal part 410 are present at the contact surface 420.
  • the metal part 10 includes a long elongated first dendrite microstructure 610 in a form extending in the z-axis direction, and the second metal part 410, the elongated second dendrites microstructure 620 extending in the z-axis direction, the first metal 3D printing end surface 111 and the first metal parts 110
  • the second step of the metal 3D printing of the metal part 410 includes a microstructure 630 extending in the transverse direction to the interface 420 that is in contact with the starting surface 411.
  • Figure 5 is a photograph showing the microstructure of the specimen prepared by the metal 3D printing method of the SLM (Selective laser melting) method. At this time, in FIG. 5, the step-by-step 3D printing process is divided into multiple times and corresponds to a specimen.
  • SLM Selective laser melting
  • a first step metal 3D printing end surface and a second step metal 3D printing of the second metal component are formed on the boundary surface where the starting surface is in contact, and also, each partial specimen (for example, the first metal component and the second metal in FIG. 4). It can be confirmed that the parts mean elongated dendrites microstructures 611, 612, and 613 extending in the z-axis direction.
  • the anisotropy of the microstructure as a whole is attenuated by the formation of a microstructure extending in the transverse direction of several intermediate middle layers in the dendrite shape in the Z-axis direction.
  • the present invention through the step-by-step 3D printing process, intentionally forming a microstructure extending in the transverse direction, by cutting the dendrites microstructure extending in the z-axis direction, to attenuate the anisotropy of the microstructure Can be.
  • a first metal component including a cage was formed by 3D printing using stainless steel powder (SUS316L).
  • the transistor type thermocouple sensor was inserted into the cage, and the upper part of the cage was sealed with a heat-protective forming layer manufactured by a 3D printing method using the same powder as the first metal part and manufactured in a shape corresponding to the upper surface of the cage.
  • the second metal part was formed using stainless powder (SUS316L) again by the 3D printing method on the manufactured first metal part to manufacture a metal part including a thermocouple therein.
  • the manufactured metal parts were cut parallel to the stacking direction with a Focused Ion Beam (FIB) to check the interface between the first metal part and the second metal part, and SEM images are shown in Fig.
  • FIB Focused Ion Beam
  • FIG. 6C an atomic arrangement photograph of the interface, the upper portion of the interface, and the lower portion of the interface is shown in FIG. 6C. According to FIG. 6C, it can be confirmed that the atomic arrangement of the microstructures of the boundary surface, the upper portion of the boundary surface, and the lower portion of the boundary surface is the same.
  • a first metal component including a cage was formed by 3D printing using stainless steel powder (SUS316L).
  • a transistor type thermocouple sensor was inserted into the cage, and the upper part of the cage was sealed with a heat-protective forming layer manufactured by a 3D printing method using the same powder as the first metal part and manufactured in a shape corresponding to the upper surface of the cage.
  • the second metal part was formed using stainless powder (SUS316L) again by the 3D printing method on the manufactured first metal part to manufacture a metal part including a thermocouple therein.
  • the thermocouple of the manufactured metal component was connected to a PC. 7A illustrates a state in which the metal component and the PC are connected.
  • thermocouple in the metal component according to the present invention accurately measures the temperature change outside.
  • FIG. 7D a diagram for confirming whether the thermocouple is damaged by heat in the manufacturing process.
  • FIG. 7D it can be confirmed that the noise level of the thermocouple exposed to the outside and the thermocouple inserted in the metal part according to the present invention is equal to 0.3° C.

Abstract

본 발명은 케이지를 포함하는 제1금속부품; 상기 케이지 내부에 위치하는 전자부품; 및 상기 제1금속부품의 상부에 형성된 제2금속부품을 포함하고, 상기 제1금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직을 포함하고, 상기 제2금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직을 포함하며, 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면에는 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 포함하는 금속부품에 관한 것으로, 단계별 3D 프린팅 공정을 통하여, 의도적으로 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 형성하며, z축 방향으로 연장되는 형태의 덴드라이트 미세조직을 단절시킴으로써, 미세조직의 비등방성을 감쇄시킬 수 있다.

Description

단속 미세조직 층이 형성된 전자부품 임베디드 금속 부품 및 이의 제조방법
본 발명은 단속 미세조직 층이 형성된 전자부품 임베디드 금속 부품 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 전자부품을 포함하고, 2 단계의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조되는, 단속 미세조직 층이 형성된 전자부품 임베디드 금속 부품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근에, 도면만 있으면 누구나 제품을 생산할 수 있는 3D프린터가 새로운 산업혁명이라 불리면서 많은 관심을 받고 있다. 3D프린터는 디지털화된 3차원 제품 디자인에 대해 2차원 단면을 연속적으로 재구성해 소재를 한층씩 적층해서 3차원적인 제품을 생산한다.
기존 3D프린팅에 들어가는 주요 소재는 합성수지였으나, 최근에는 엔지니어링 플라스틱, 금속분말 등으로 다양화되면서 활용할 수 있는 산업분야도 확대되고 있는 추세이다.
금속 3D 프린터는 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째는 Powder Bed Fusion(PBF)방식이다. 이 방식은 분말공급장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 선택적으로 조사한 후 한층씩 용융시켜 쌓아 올라가는 방식이다. 두 번째는 DED(Directed Energy Deposition) 방식이다. 이 방식은 보호가스 분위기에서 분말을 실시간으로 공급하고 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시 용융되어 적층해 나가는 방식이다.
예를 들어 한국 공개특허 제10-2018-0003141호에는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치를 개시하고 있으며, 구체적으로는 금속분말을 원재료로 하여, 상기 금속분말에 레이저를 조사하여 3차원 형상을 조형하는 금속분말 3D 프린팅 장치에 있어서, 상기 레이저를 통한 조사 이전에 상기 금속분말을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리를 이용한 금속분말 3D 프린팅 장치를 개시하고 있다. 상기 기술은 금속 분말 3D 프린팅 전 원료를 전처리 함으로서, 공정 경제를 달성하고, 최종 산물의 품질을 향상시키고자 하는 기술이다.
또한, 한국 등록특허 제10-1611566호에는 3차원 금속 프린팅장치 및 이를 이용한 프린팅 방법이 개시되어 있고, 구체적으로는 스테이지(1)와; 상기 스테이지(1)의 상측에서 스테이지(1)의 상부면에 금속 이온이 용해된 액상의 금속 포메이트 솔루션(metal formate solution)을 토출하는 노즐(2)과; 상기 스테이지(1)에 레이저 빔을 조사하여 상기 노즐(2)을 통해 스테이지(1)에 토출된 금속 포메이트 솔루션에서 국부적인 열-화학적 반응에 의한 금속을 석출하는 레이저 조사기(3) 및; 상기 노즐(2)에 설치되어 노즐(2)을 가열함으로써 금속 포메이트 솔루션을 가열하는 히터(22);를 포함하며, 상기 레이저 조사기(3)에서 방출되는 레이저 빔의 축은 노즐(2)의 축과 일정 각도를 이루도록 되어, 레이저 빔이 노즐(2)의 외측에서 금속 포메이트 솔루션에 조사되는 것을 특징으로 하는 3차원 금속 프린팅장치가 개시되어 있다. 상기 기술은 3차원 CAD 데이터에 의한 경로를 통해 스테이지와 레이저 조사기 간의 상대 위치를 변화시키면서 연속적으로 금속을 석출하여 원하는 금속 입체 형상물을 제작할 수 있으며, 형상의 진행 면과 수직한 방향으로 출력이 가능하여 별도의 서포터가 필요없는 기술이다.
이와 같은 금속 3D 프린팅 기술의 발전에 따라, 기존 밀링 등의 방식으로는 구현할 수 없었던 다양한 형태의 금속부품을 제조할 수 있게 되고, 또한 성형할 수 있게 되었다.
한편, IoT, 빅데이터, 3D 프린팅과 같은 4차 산업혁명 기술을 융합한 '지능형 금속부품' 개발이 추진되고 있으며, 그 중, 실시간으로 금속부품 내부의 피로/파괴/온도변화 등을 자체적으로 관찰하고 리포트를 하고, 해당 빅데이터를 분석하여 금속부품의 상태 및 교체 여부를 자체적으로 사용자에게 알려주는 금속부품에 대한 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 항공기 산업의 경우, 금속부품의 상태 관측은 안전과 관련하여 매우 크리티컬하고, 현재는 이를 위하여 매번 항공기의 모든 부품을 해체한 후, 각 금속부품 표면에 관측장비를 부착하고, 상태를 분석한 후, 관측장비 제거 후, 부품들을 다시 조립하는 매우 불편하고, 시간 소모도 많으면서, 그 과정에서 안전상의 문제가 발생할 수도 있는 방법이 수행되고 있다.
구체적인 예로는, 한국 공개특허 제10-2012-0138541호는 회전익 항공기의 로터 블레이드 계측용 센서 및 배선 장착방법을 개시하고 있으며, 구체적으로는 로터 블레이드 표면의 페인트를 제거하는 단계(S1)와; 페인트가 제거된 로터블레이드 표면에 마그네트 와이어 및 계측센서를 장착시키는 단계(S2)와; 계측센서 단자와 마그네트와이어의 단자를 납땜하는 단계(S3)와; 계측센서와 마그네트 와이어를 보호하기 위한 코팅층을 형성하는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전익 항공기의 로터 블레이드 계측용 센서 및 배선 장착방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 방법은 로터 블레이드 표면에 계측센서를 장착시키고 납땜하는 방법으로 센서를 블레이드 외부에 고정시키고 있어, 외부 환경에 따라 센서가 이탈될 수 있는 문제점이 있다.
또는 금속부품의 상태를 실시간으로 확인하기 위하여 금속부품의 표면에 박막 형태의 관측장치를 설치하는 경우도 있는데, 이 경우, 금속부품의 움직임 또는 외부 환경에 의하여 관측장치가 쉽게 이탈될 수 있는 문제점이 있다.
또, 한편으로는 특정 전자부품의 경우 외부환경으로부터 보호될 필요가 있다. 이 경우, 특정 구조체를 이루는 금속부품 내에 해당 전자부품이 삽입된 상태로 금속부품이 형성된다면, 외부환경으로부터 전자부품이 보호될 수 있을 것이다.
이에 본 발명의 발명자들은 금속 3D 프린팅 기술을 통하여, 전자부품을 포함하는 금속부품을 제조하는 방법을 연구하여 본 발명을 완성하였다.
(특허문헌 1) 한국 공개특허 제10-2018-0003141호
(특허문헌 2) 한국 등록특허 제10-1611566호
(특허문헌 3) 한국 공개특허 제10-2012-0138541호
본 발명의 목적은 전자부품이 삽입된 금속부품의 제조방법 및 전자부품이 내부에 삽입된 금속부품을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 케이지를 포함하는 제1금속부품; 상기 케이지 내부에 위치하는 전자부품; 및 상기 제1금속부품의 상부에 형성된 제2금속부품을 포함하고, 상기 제1금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직을 포함하고, 상기 제2금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직을 포함하며, 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면에는 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 포함하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속부품은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성되고, 상기 제2금속부품은 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성되는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속부품은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면을 포함하고, 상기 제2금속부품은, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면을 포함하며, 상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면을 포함하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면은, 상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면인 것을 특징으로 하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 케이지를 밀폐하는 열보호 형성층을 더 포함하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 제1금속부품; 및 상기 제1금속부품의 상부에 형성된 제2금속부품을 포함하고, 상기 제1금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직을 포함하고, 상기 제2금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직을 포함하며, 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면에는 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 포함하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속부품은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면을 포함하고, 상기 제2금속부품은, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면을 포함하며, 상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면을 포함하는 금속부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면은, 상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면인 것을 특징으로 하는 금속부품을 제공한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 단계별 3D 프린팅 공정을 통하여, 의도적으로 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 형성하며, z축 방향으로 연장되는 형태의 덴드라이트 미세조직을 단절시킴으로써, 미세조직의 비등방성을 감쇄시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 2a 는 본 발명에 따른 금속부품의 분리도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도 3은 일반적인 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 금속재의 미세조직을 도시하는 사진이다.
도 4는 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 본 발명에 따른 금속부품의 미세조직을 도시하는 사진이다.
도 5는 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 시편의 미세조직을 도시하는 사진이다.
도 6a는 본 발명의 방법으로 제조된 금속부품의 SEM 사진이다.
도 6b는 도 6a의 A-B 부분을 확대한 STEM 사진이다.
도 6c는 도 6b의 1,2,3 부분에 대한 원자배열 사진이다.
도 7a는 본 발명의 금속부품을 컴퓨터에 연결하여 측정을 수행하는 모식도이다.
도 7b는 본 발명의 금속부품과 일반 센서의 온도 측정 그래프이다.
도 7c는 본 발명의 금속부품과 일반 센서의 열전도 시간에 따른 온도 상승 기울기를 보여주는 그래프이다.
도 7d는 본 발명의 금속부품의 열에 의한 손상 여부를 확인할 수 있는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 2b는 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
먼저, 도 1 및 도 2a 및 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상부가 개방된 케이지(120)를 포함하는 제1금속부품(110)을 제조하는 단계를 포함한다(S110).
보다 구체적으로, 본 발명에서 상기 케이지(120)는 금속부품 내에 전자부품이 삽입되는 공간을 의미한다.
즉, 본 발명의 제조방법은 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법으로, 우선, 상기 전자부품이 삽입되기 위한 상부가 개방된 케이지를 포함하는 제1금속부품(110)을, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성한다.
상기 금속 3D 프린팅 방법으로 케이지를 포함하는 제1금속부품(110)을 형성함으로써, 삽입되는 전자부품에 맞춰 정교하게 상기 케이지(120)를 형성할 수 있게 된다.
이와 같이 삽입되는 전자부품에 맞춰 정교하게 케이지를 형성하는 것은 기존의 밀링 공정으로는 불가능하거나 또는 매우 어려웠다.
하지만, 본 발명은 금속 3D 프린팅 방법으로 제1금속부품을 형성함으로써, 삽입되는 전자부품에 맞춰 정교하게 케이지의 형상을 조형할 수 있다.
이때, 상기 제1금속부품을 형성하는 금속 3D 프린팅 방법은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방법 또는 직접금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방법에서 선택되는 어느 하나의 방법을 이용할 수 있으며, 금속 3D 프린팅 방법은 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법인 것이 바람직하다.
다만, 본 발명에서 상기 금속 3D 프린팅 방법을 제한하는 것은 아니다.
한편, S110 단계의, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상부가 개방된 케이지(120)를 포함하는 제1금속부품(110)을 제조하는 단계의 경우, 제1단계의 금속 3D 프린팅 방법에 의하여, 상기 제1금속부품(110)을 제조하기 때문에, 상기 제1금속부품(110)의 경우, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)을 포함한다.
즉, 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 상기 제1금속부품(110)의 경우, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법에 의하여, 하부에서부터 상부로 연속적으로 형성되므로, 따라서, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)이, 상기 제1금속부품(110)의 상부면에 형성될 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법은, 상기 케이지(120)를 밀폐하는 열보호 형성층(200)을 제조하는 단계를 포함한다(S120).
이때, 본 발명에서, 상기 케이지(120)를 밀폐하는 열보호 형성층(200)은, 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성할 수 있다.
상기 열보호 형성층(200)은, 후술하는 공정에 의하여, 상기 케이지(120) 내에 전자부품이 삽입된 이후, 상기 제1금속부품(110) 상부에 제2금속부품(310)을 형성하는 과정에서, 삽입된 전자부품을 열충격으로부터 보호하기 위한 구성이다.
즉, 일반적인 금속 3D 프린팅 방법은, 레이저빔 또는 전자빔의 조사를 통해, 대상에 열을 가하는 방식으로 진행될 수 있는데, 후술하는 공정에 의하여, 상기 케이지(120) 내에 전자부품이 삽입된 이후, 상기 제1금속부품(110) 상부에 제2금속부품(310)을 형성하는 과정에서, 상기 전자부품이 열충격에 의하여 손상되는 것을 방지하기 위하여, 본 발명에서는 상기 열보호 형성층(200)을 도입할 수 있다.
이때, 상기 열보호 형성층(200)은 상기 케이지(120)를 밀폐시키면서도, 상기 케이지 상부에 고정되어야 하고, 이를 위하여 다양한 방법이 사용될 수 있다. 한편, 상기 열보호 형성층의 형상은 케이지의 상부 개방면의 형상에 대응되게 다양한 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 상기 케이지(120) 상부 테두리를 따라 단차(121)를 형성하고, 상기 열보호 형성층(200)이, 상기 케이지(120)의 상부 테두리를 따라 형성된 단차(121)에 위치함으로써, 상기 열보호 형성층(200)은 상기 케이지(120)를 밀폐시키면서도, 상기 케이지 상부에 고정될 수 있다.
이때, 상술한 바와 같이, 본 발명에서는, 상기 단차(121)를 갖는 케이지(120)를 포함하는 제1금속부품(110) 및 상기 열보호 형성층(200)을 금속 3D 프린팅을 통하여 형성함으로써, 정밀한 단차를 형성할 수 있고, 따라서, 상기 케이지(120)를 정밀하게 밀폐할 수 있게 되어, 결과적으로 추후 공정에서 전자부품을 열충격으로부터 보호할 수 있다.
한편, 상기 열보호 형성층(200)을 형성하는 금속 3D 프린팅 방법은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방법 또는 직접금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방법에서 선택되는 어느 하나의 방법을 이용할 수 있으며, 금속 3D 프린팅 방법은 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법인 것이 바람직하다.
다만, 본 발명에서 상기 금속 3D 프린팅 방법을 제한하는 것은 아니다.
이는 상술한 제1금속부품(110)의 금속 3D 프린팅 방법과 동일하므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이때, 본 발명에서, 상기 열보호 형성층(200)은 금속 3D 프린팅 방법 외의 다른 가공방법에 의해서도 제조될 수 있는 것으로, 본 발명에서 상기 열보호 형성층(200)의 제조방법을 제한하는 것은 아니다.
다만, 본 발명의 제조방법에서, 상기 제1금속부품(110)과 상기 열보호 형성층(200)을 동일한 금속 3D 프린팅 방법으로 형성함으로써, 하나의 프린팅 장치 내에서 각각의 구성을 제조하는 공정의 수행이 가능하여 공정시간을 단축할 수 있고, 외부 환경에서 의하여 제1금속부품 및 열보호 형성층이 오염되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제1금속부품과의 동일한 소재로, 열충격을 막기 위한 상기 케이지를 사용함으로써 이종 소재간의 접합특성 저하를 근본적으로 막을 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명에서, 상기 S110 단계의 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상부가 개방된 케이지(120)를 포함하는 제1금속부품(110)을 제조하는 단계와, S120 단계의 상기 케이지(120)를 밀폐하는 열보호 형성층(200)을 제조하는 단계의 순서를 제한하는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 케이지의 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 따라서, 본 발명에서 상기 케이지의 형상을 제한하는 것은 아니며, 또한, 본 발명에서 상기 열보호 형성층의 형상은 상기 케이지의 형상에 대응하여 변형될 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 열보호 형성층의 형상을 제한하는 것은 아니다.
계속해서, 도 1 및 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법은, 상기 제1금속부품(110)의 상기 케이지(120) 내부에 전자부품(300)을 위치시키는 단계를 포함한다(S130).
상기 케이지(120) 내부에 전자부품(300)을 위치시키는 것은, 기 제조된 전자부품을 상기 케이지(120) 내부에 삽입하는 방법으로 수행될 수 있다.
이때, 상기 전자부품(300)은, 온도센서, 스트레인 센서 또는 자이로 센서 등의 각종 센서 또는 마이크로칩일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 금속부품에 대한 관찰, 또는 전자부품의 보호 등 다양한 목적을 위하여 다양한 전자부품이 삽입될 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 전자부품의 종류를 제한하는 것은 아니다.
한편, 상술한 바와 같이, 상기 케이지(120) 내부에 전자부품(300)을 위치시키는 것은, 기 제조된 전자부품을 상기 케이지(120) 내부에 삽입하는 방법으로 수행될 수 있다.
하지만, 이와는 달리, 본 발명에서 상기 케이지(120) 내부에 전자부품(300)을 위치시키는 것은, 상기 케이지(120) 내부에 상기 전자부품을 3D 프린팅하는 방법으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 전자부품이 단순한 외형을 갖는 경우 전자부품을 별도로 제작하고, 이를 상기 금속부품의 케이지 내부에 도입할 수 있을 것이고, 만약 전자부품의 외형이 복잡한 경우라면, 상기 제1금속부품의 상기 케이지와 상기 전자부품의 정밀한 결합을 위하여, 금속 3D 프린팅 방법 등과 같은 3D 프린팅 방법으로 상기 전자부품을 프린팅할 수 있다.
계속해서, 도 1 및 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법은, 상기 케이지(120)의 상부에 상기 열보호 형성층(200)을 덮어, 상기 케이지(120)를 밀폐시키는 단계를 포함한다(S140).
즉, 상술한 바와 같이, 상기 열보호 형성층(200)은, 후술하는 공정에 의하여, 상기 케이지(120) 내에 전자부품이 삽입된 이후, 상기 제1금속부품(110) 상부에 제2금속부품(310)을 형성하는 과정에서, 삽입된 전자부품을 열충격으로부터 보호하기 위한 구성으로, 상기 열보호 형성층(200)은 상기 전자부품(300)이 후술하는 공정에 의한 열충격에 의하여 손상되는 것을 방지할 수 있다.
계속해서, 도 1 및 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품의 제조방법은, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상기 제1금속부품(110)의 상부에 제2금속부품(410)을 형성하는 단계를 포함한다(S150).
즉, 상기 제2금속부품(410)은, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상기 제1금속부품(110)의 상부에 형성되며, 이때, 상기 제2금속부품을 형성하는 금속 3D 프린팅 방법은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방법 또는 직접금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방법에서 선택되는 어느 하나의 방법을 이용할 수 있으며, 금속 3D 프린팅 방법은 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법인 것이 바람직하다.
다만, 본 발명에서 상기 금속 3D 프린팅 방법을 제한하는 것은 아니다.
이는 상술한 제1단계 금속 3D 프린팅 방법과 동일하므로, 이하 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
이때, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상기 제1금속부품(110)의 상부에 제2금속부품(410)을 형성하는 공정에, 이의 공정은 열을 수반하게 되는데, 본 발명의 제조방법에서는 제2금속부품(410)을 형성하기 전에 전자부품이 삽입되어 있는 케이지 상부를 열보호 형성층으로 덮고, 케이지를 밀봉하기 때문에, 이와 같은 제2금속부품(410)을 형성하는 공정에서도 전자부품이 열충격으로부터 안전할 수 있다.
한편, S150 단계의, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상기 제1금속부품(110)의 상부에 제2금속부품(410)을 형성하는 단계의 경우, 제2단계의 금속 3D 프린팅 방법에 의하여, 상기 제2금속부품(410)을 제조하기 때문에, 상기 제2금속부품(410)의 경우, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)을 포함한다.
즉, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 제2금속부품(410)의 경우, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법에 의하여, 하부에서부터 상부로 연속적으로 형성되므로, 따라서, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이, 상기 제2금속부품(410)의 하부면에 형성될 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 본 발명의 제조방법에서 상기 제1금속부품, 상기 열보호 형성층 및 상기 제2금속부품은 동일 소재로 형성될 수 있다.
상기 제1금속부품, 상기 열보호 형성층 및 상기 제2금속부품이 동일 소재로 형성되는 경우, 전자부품을 금속부품 내에 삽입하기 위한 공정에 따른 금속부품의 물성 저하를 억제할 수 있는 장점이 있다.
즉, 제1금속부품과 열보호 형성층, 제1금속부품과 제2금속부품, 열보호 형성층과 제2금속부품의 사이에 계면이 형성되는데, 이때 상기 각각이 서로 다른 소재인 경우 계면 접합성 등의 물성이 저하되고, 이에 따라 결과적으로 최종 제조되는 금속부품의 다양한 물성이 저하될 수 있으나, 본 발명의 제조방법에서는 상기 제1금속부품, 상기 열보호 형성층 및 상기 제2금속부품을 동일 소재로 형성하여 금속부품의 물성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이상과 같은 방법에 의하여, 본 발명에 따른 전자부품을 포함하는 금속부품을 제조할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상부가 개방된 케이지(120)를 포함하는 제1금속부품(110)을 제조하는 단계의 경우, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)을 포함하고, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여, 상기 제1금속부품(110)의 상부에 제2금속부품(410)을 형성하는 단계의 경우, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)을 포함한다.
즉, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 제1금속부품(110)의 경우, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)이, 상기 제1금속부품(110)의 상부면에 형성될 수 있고, 상기 제2금속부품(410)의 경우, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이, 상기 제2금속부품(410)의 하부면에 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 금속부품의 미세조직에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 일반적인 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 금속재의 미세조직을 도시하는 사진이다.
도 3을 참조하면, 일반적인 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅을 사용하게 되면, 기존 캐스팅 재와는 달리 10000℃/s 정도로 급속 냉각을 일으키게 되어, 이에 따른 기존과는 다른 급속 냉각조직이 생기게 된다.
이러한 급속 냉각조직은 강도의 향상을 가져오면서, 연신율은 줄어드는 경향이 있다.
이때, SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅의 경우, 연속적으로 적층을 하며 조형을 하는 특성상, 조형체 내부에 열이 쌓이게 되는데, 이는 조형을 하는 와중에 대부분 최상부의 노출된 면과 최하부의 시작면을 잇는 z축 방향으로 열이 빠져나가게 된다.
이러한 열이 빠져나가는 특성으로 인하여, 도 3에서와 같이, 적층을 하는 높이 방향인 z축 방향으로는 평행한 형태의 길다란 덴드라이트 미세조직(510, 520)이 생기게 되며, 이로 인해, 비등방성의 기계적 물성을 가지게 된다.
도 4는 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 본 발명에 따른 금속부품의 미세조직을 도시하는 사진이다. 이때, 도 4는 도 2b의 I-I 선의 단면에 따른 미세조직으로 이해될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속부품(10)은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성된 상기 제1금속부품(110)의 경우, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)이, 상기 제1금속부품(110)의 상부면에 형성될 수 있고, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성된 상기 제2금속부품(410)의 경우, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이, 상기 제2금속부품(410)의 하부면에 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1금속부품(110)의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)과 상기 제2금속부품(410)의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이 접하는 경계면(420)을 포함한다.
한편, 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 금속부품(10)은, 상술한 도 3에서와 같이, 적층을 하는 높이 방향인 z축 방향으로는 평행한 형태의 길다란 덴드라이트 미세조직이 생기게 되며, 따라서, 상기 제1금속부품(110)은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직(610)을 포함하고, 상기 제2금속부품(410)은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직(620)을 포함한다.
이때, 본 발명에서는, 제1단계 금속 3D 프린팅 공정과 제2단계 금속 3D 프린팅 공정이 구분되어 진행되기 때문에, 연속적인 프린팅 공정의 사이에 일정 시간동안, 자연냉각 또는 인위적인 냉각이 일어나게 되며, 이로 인하여, 연속적인 공정에서 나타나는 z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 덴드라이트 형태의 미세조직이 경계면에서 끊어지며, 가로 방향으로 연장되는 미세조직(630)이, 상술한 상기 제1금속부품(110)의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)과 상기 제2금속부품(410)의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이 접하는 경계면(420)에 존재하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 금속부품(10)은, 상기 제1금속부품(110)은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직(610)을 포함하고, 상기 제2금속부품(410)은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직(620)을 포함하며, 상기 제1금속부품(110)의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면(111)과 상기 제2금속부품(410)의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면(411)이 접하는 경계면(420)에 가로 방향으로 연장되는 미세조직(630)을 포함한다.
본 발명에서는 이와 같은 단계별 3D 프린팅 공정을 통하여, SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅에 의해 제조된 조형체에서 나타나는 비등방성의 기계적 물성을 감쇄시킬 수 있다.
도 5는 SLM(Selective laser melting) 방식의 금속 3D 프린팅 방법에 의해 제조된 시편의 미세조직을 도시하는 사진이다. 이때, 도 5에서는 단계별 3D 프린팅 공정을 다수회로 구분하여 진행한 시편에 해당한다.
도 5를 참조하면, 단계별 3D 프린팅 공정을 다수회로 구분하여 진행한 시편의 경우, 도 4에서 설명되어진 바와 같이, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면에 가로 방향으로 연장되는 미세조직들(631, 632, 633)이 형성됨을 확인할 수 있고, 또한, 각각의 부분 시편(예를 들어, 도 4의 제1금속부품 및 제2금속부품을 의미함)들은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 덴드라이트 미세조직(611, 612, 613)을 포함함을 확인할 수 있다.
즉, 시편의 전체적인 Z축 방향 비등방성 감쇄를 위하여, 단층이 아닌 여러 층에 걸쳐, z축 방향으로 연장되는 형태의 덴드라이트 미세조직과 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 형성할 수 있으며, 이들은 각 단계별 3D 프린팅 공정에서 자연 냉각을 30분간 진행한 상태에 해당한다.
도 5에 도시된 바와 같이, Z축 방향의 덴드라이트 형상에서 중간 중간 여러층의 가로방향으로 연장되는 미세조직이 생김으로써, 전체적으로 미세조직의 비등방성이 감쇄된 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는, 단계별 3D 프린팅 공정을 통하여, 의도적으로 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 형성하며, z축 방향으로 연장되는 형태의 덴드라이트 미세조직을 단절시킴으로써, 미세조직의 비등방성을 감쇄시킬 수 있다.
<실험예 1>
스테인리스 분말(SUS316L)을 이용하여 3D 프린팅 방법으로 케이지를 포함하는 제1금속 부품을 형성하였다. 케이지 내에 트렌지스터 타입의 써모커플 센서를 삽입하고, 제1금속 부품과 동일 분말으로 이용하여 3D 프린팅 방법으로 제조되고, 케이지 상부면에 대응되는 형상으로 제조된 열보호 형성층으로 케이지 상부를 밀폐하였다. 상기 제조된 제1금속 부품 상부로 3D 프린팅 방법으로 다시 스테인리스 분말(SUS316L)을 이용하여 제2금속부품을 형성하여, 내부에 써모커플을 포함하는 금속부품을 제조하였다. 제조된 금속부품을 적층방향에 평행하게 Focused Ion Beam(FIB)으로 절단하여 제1금속부품과 제2금속부품의 경계면을 확인하였고, SEM 사진을 도 6a에, STEM 사진으로 도 6b에 나타내었다. 또한, 경계면, 경계면의 상부, 경계면의 하부의 원자배열 사진을 도 6c에 나타내었다. 도 6c에 따르면, 경계면, 경계면의 상부 및 경계면의 하부의 미세조직의 원자배열이 같음을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
케이지 내부에 위치하는 전자부품의 열에 의한 영향 확인
3D 프린팅을 통하여 케이지 내부에 전자부품이 포함된 금속부품을 제조하는 과정에서 케이지 내부에 포함되는 전자부품이 열에 얼마나 노출되는지, 또한, 제조된 금속부품 내의 전자부품이 금속부품 외부의 온도를 얼마나 정확히 측정하는지를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
스테인리스 분말(SUS316L)을 이용하여 3D 프린팅 방법으로 케이지를 포함하는 제1금속 부품을 형성하였다. 케이지 내에 트렌지스터 타입의 써모커플 센서를 삽입하고, 제1금속 부품과 동일 분말으로 이용하여 3D 프린팅 방법으로 제조되고, 케이지 상부면에 대응되는 형상으로 제조된 열보호 형성층으로 케이지 상부를 밀폐하였다. 상기 제조된 제1금속 부품 상부로 3D 프린팅 방법으로 다시 스테인리스 분말(SUS316L)을 이용하여 제2금속부품을 형성하여, 내부에 써모커플을 포함하는 금속부품을 제조하였다. 제조된 금속부품의 써모커플을 PC에 연결하였다. 금속부품과 PC가 연결된 상태를 도 7a에 예시적으로 도시하였다. 본 발명에 따른 금속부품 내의 써모커플과, 외부에 노출된 써모커플의 외부 설정 온도 측정 결과를 도 7b에 나타내었고, 이들의 열전도 시간에 따른 온도상승 기울기를 도 7c에 나타내었다. 도 7b와 도 7c에 따르면, 실제 본 발명에 따른 금속부품 내의 써모커플도 외부의 온도 변화를 정확하게 측정하고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 제조 과정의 열에 의한 써모커플의 손상여부를 확인하는 도면을 도 7d에 나타내었다. 도 7d에 따르면, 외부에 노출되어 있는 써모커플과, 본 발명에 따른 금소부품 내에 삽입되어 있는 써모커플의 노이즈 레벨이 동일하게 0.3 ℃임을 확인할 수 있고, 이를 통하여, 본 발명의 방법으로 제조되는 금속부품의 경우, 케이지 내에 삽입되는 써모커플과 같은 전자부품이 제조과정의 열에 의하여 손상되지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (8)

  1. 케이지를 포함하는 제1금속부품;
    상기 케이지 내부에 위치하는 전자부품; 및
    상기 제1금속부품의 상부에 형성된 제2금속부품을 포함하고,
    상기 제1금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직을 포함하고, 상기 제2금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직을 포함하며, 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면에는 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 포함하는 금속부품.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1금속부품은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성되고, 상기 제2금속부품은 제2단계 금속 3D 프린팅 방법을 통하여 형성되는 금속부품.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1금속부품은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면을 포함하고,
    상기 제2금속부품은, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면을 포함하며,
    상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면을 포함하는 금속부품.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면은, 상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면인 것을 특징으로 하는 금속부품.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이지를 밀폐하는 열보호 형성층을 더 포함하는 금속부품.
  6. 제1금속부품; 및
    상기 제1금속부품의 상부에 형성된 제2금속부품을 포함하고,
    상기 제1금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제1덴드라이트 미세조직을 포함하고, 상기 제2금속부품은, z축 방향으로 연장되는 형태의 길다란 제2덴드라이트 미세조직을 포함하며, 상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면에는 가로 방향으로 연장되는 미세조직을 포함하는 금속부품.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1금속부품은, 제1단계 금속 3D 프린팅 방법의 종료에 의해 최종적으로 형성된, 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면을 포함하고,
    상기 제2금속부품은, 제2단계 금속 3D 프린팅 방법의 시작에 의해 최초로 형성된, 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면을 포함하며,
    상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면을 포함하는 금속부품.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1금속부품과 상기 제2금속부품의 경계면은, 상기 제1금속부품의 제1단계 금속 3D 프린팅 종료면과 상기 제2금속부품의 제2단계 금속 3D 프린팅 시작면이 접하는 경계면인 것을 특징으로 하는 금속부품.
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