WO2021221413A1 - 금속 복합 소재 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 - Google Patents

금속 복합 소재 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 Download PDF

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WO2021221413A1
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metal composite
alloy
titanium
ysz
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한균호
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주식회사 인스텍
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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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 a metal composite material and a 3D printing method using the same, and more particularly, by supplementing the low hardness, weak erosion and corrosion of Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy, light and strength
  • a metal composite material comprising a Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy and Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) suitable for manufacturing Ti metal/alloy parts/products, the metal composite material
  • DED Directed Energy Deposition
  • Metal 3D printer uses additive manufacturing technology as opposed to subtractive machining, and unlike general processing machines such as CNC and milling, it is a device that gradually forms a shape by irradiating a laser on metal. .
  • This metal 3D printer is attracting attention as a core industry of the future as new 3D printing technology is developed every year.
  • Metal lamination methods can be broadly classified into two types.
  • PBF Powder Bed Fusion
  • SLS Selected Laser Sintering
  • SLM Selected Laser Melting
  • DMLS Direct Metal Laser Sintering
  • the other is the DED (Directed Energy Deposition) method, in which powder is supplied in real time in a protective gas atmosphere and melted and laminated immediately after supply using a high-power laser.
  • the PBF method is relatively precise and advantageous in realizing the degree of freedom of shape.
  • the DED method requires post-processing because it has relatively low precision, but has the advantages of relatively high productivity, excellent repeatability, and high strength and impact value.
  • FIG. 1 is a view showing a DED (Directed Energy Deposition) process.
  • the DED (Directed Energy Deposition) process irradiates a high-power laser beam to a substrate locally, and the substrate surface A melting pool is formed in the molten pool and, at the same time, metal powder is supplied to the melting pool in real time through powder gas from the powder supply device.
  • the melt pool in which the base material and powder are melted and mixed, is rapidly solidified to form a metal layer (Deposited Region) having a dense and fine structure.
  • Ti (Titanium)-alloy As a material used in the DED process, there is a Ti (Titanium)-alloy.
  • the Ti (Titanium)-alloy has high specific strength, which is an index indicating how much strength a material of the same mass has by dividing the strength of the material by the density, and has excellent corrosion resistance, biocompatibility, etc., It is being applied to various industries such as aerospace, marine, sports, and medical.
  • the main equilibrium phases in Ti-alloy are ⁇ and ⁇ phases.
  • the stable equilibrium phase at room temperature becomes ⁇ or ⁇ .
  • the Ti-alloy is classified into an ⁇ alloy, a ⁇ alloy, and an ⁇ + ⁇ alloy.
  • the most widely used alloy is the ⁇ + ⁇ alloy, which has a basic composition of Ti(Titanium)-Al(Aluminum), which stabilizes the ⁇ phase and has a solid solution strengthening effect, and includes molybdenum (Mo) and iron (Fe). , vanadium (V), ⁇ -phase stabilizing elements such as chromium (Cr), and neutral elements such as zirconium (Zr) and tin (Sn) are contained.
  • Ti-6Al-4V alloy has excellent hot workability and weldability, and various mechanical properties are obtained by heat treatment, it accounts for more than 60% of the total Ti-alloy usage.
  • Ti-6Al-4V alloy is chemically inert, so it has biocompatibility, corrosion resistance, excellent oxidation resistance at less than 600°C, and tensile, fatigue, elongation, and toughness. ), etc., have good mechanical strength, low density, high specific strength, and excellent yield strength.
  • the Ti-6Al-4V alloy has a disadvantage in that it has low wear resistance due to its low hardness.
  • the Young's Modulus of Ti-6Al-4V alloy is 110 to 140 GPa
  • Tensile Strength is 850 to 900 MPa
  • Tenacity is 33 to 110 MPa ⁇ m 1/2
  • elongation at cut is 13 ⁇ 16%
  • Vickers Hardness is 290 ⁇ 350, which is lower than other excellent physical property values.
  • the present invention intends to provide not only the development of a metal composite material, but also an optimal process value for 3D printing using such a metal composite material.
  • Patent Document 1 Korea Patent Publication No. 10-2013-0048880 (2013.05.13.)
  • the present invention has been devised to solve the above problems,
  • An object of the present invention is to provide a new metal composite material supplemented with Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy, which has a relatively low hardness and is vulnerable to various wear, erosion, and corrosion.
  • Another object of the present invention is to include YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) in Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy, light, excellent in strength, suitable for manufacturing Ti metal / alloy parts / products It is to provide a metal composite material for 3D printing.
  • YSZ Yttria Stabilized Zirconia
  • Another object of the present invention is to constitute a metal composite material in which Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy is 80.0 to 99.9% by weight, and Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) is 0.1 to 20.0% by weight. , It maintains the excellent properties of the existing Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy, but increases the hardness of the relatively low Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy. .
  • Another object of the present invention is to provide a metal composite material comprising a Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy and Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) in the field of aerospace, automobile, implant, etc. It is to enable the parts to be used to be easily manufactured by the 3D printing method.
  • Another object of the present invention is to configure the content of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) in the metal composite material to be 10% by weight or less, so that the hardness and wear resistance compared to Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy are improved. By making it superior, it is to make it suitable for use in fields requiring lightweight materials such as aerospace and automobiles.
  • YSZ Yttria Stabilized Zirconia
  • Another object of the present invention is to configure the content of YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) to 45% by weight or more, but to constitute a metal composite material including additionally a ductile material, so as to improve the characteristics of YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) with strong brittleness. to be able to impart character.
  • YSZ Yttria Stabilized Zirconia
  • Another object of the present invention is to provide excellent mechanical properties of a metal composite material including Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy and Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) to a product made through 3D printing. It is to provide the optimal value for the optimal 3D printing process to be expressed as it is.
  • the coaxial argon gas (Coaxial Ar Gas) flow rate is 7 l / min
  • powder argon gas (Powder Ar Gas) flow rate is 3 l / min
  • the flow rate of the shield ar gas (Shield Ar Gas) is 10 l/min
  • the powder feed is 2.5 ⁇ 0.1 g/min to prevent peeling of the sample or crack defects during lamination.
  • the present invention is implemented by an embodiment having the following configuration in order to achieve the above object.
  • the present invention is characterized in that it comprises a Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy and Yttria Stabilized Zirconia (YSZ).
  • the Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy is 80.0 to 99.9 wt%
  • the Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) is 0.1 to 20.0 wt% characterized by being.
  • the Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy is 95% by weight
  • the Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) is 5% by weight. do it with
  • the present invention the YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) is characterized in that 10% by weight or less.
  • the present invention is characterized in that the YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) is 45% by weight or more.
  • the metal composite material is characterized in that it further comprises a soft material for reducing brittleness.
  • the present invention is characterized in that it is a 3D printing method using a metal composite material.
  • the 3D printing method is characterized in that the DED (Directed Energy Deposition) method.
  • DED Directed Energy Deposition
  • the coaxial gas flow rate is 7 l/min
  • the powder gas flow rate is 3 l/min
  • the protective gas shield Gas It is characterized in that the flow rate is 10 l/min.
  • the coaxial gas, the powder gas and the protective gas are argon (Ar) gas.
  • the 3D printing method is characterized in that the powder feed amount (Powder Feed) is 2.5 ⁇ 0.1 g / min.
  • the present invention can obtain the following effects by the configuration, combination, and use relationship described below with the present embodiment.
  • the present invention has the effect of providing a new metal composite material supplementing the Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy, which has a relatively low hardness and is vulnerable to various wear, erosion, and corrosion.
  • the present invention including YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) in Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy, is light, has excellent strength, and is suitable for manufacturing Ti metal/alloy parts/products for 3D printers It derives the effect of providing a metal composite material.
  • YSZ Yttria Stabilized Zirconia
  • the Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy is 80.0 to 99.9 wt%
  • Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) is 0.1 to 20.0 wt% of a metal composite material of 0.1 to 20.0 wt%
  • the present invention provides a metal composite material comprising a Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy and Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), and parts used in the fields of aerospace, automobiles, implants, etc. It has the effect of making it easy to manufacture by the 3D printing method.
  • the present invention by composing the content of YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) in the metal composite material to 10% by weight or less, so that the hardness and wear resistance are superior to that of the Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy. , it derives the effect of making it suitable for use in fields that require lightweight materials such as aerospace and automobiles.
  • YSZ Yttria Stabilized Zirconia
  • the content of YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) is 45% by weight or more, but by configuring a metal composite material additionally including a ductile material, toughness is imparted to the characteristics of YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) with strong brittleness. has the effect of making it possible.
  • the present invention provides excellent mechanical properties of a metal composite material including Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy and Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) to be expressed in products made through 3D printing. It has the effect of providing an optimal value for the optimal 3D printing process.
  • coaxial argon gas (Coaxial Ar Gas) flow rate is 7 l / min
  • powder argon gas (Powder Ar Gas) flow rate is 3 l / min
  • protective argon By setting the gas (Shield Ar Gas) flow rate to 10 l/min and the powder feed rate to 2.5 ⁇ 0.1 g/min, the effect of preventing the sample from peeling or cracking defects during lamination is derived.
  • DED Directed Energy Deposition
  • Figure 2 is a table showing the physical property values of Ti-6Al-4V alloy.
  • 3 is a table showing the content of Ti-6Al-4V alloy and Yttria Stabilized Zirconia (YSZ).
  • Figure 4 is a test report on the Vickers hardness of a sample produced through a metal 3D printer process technology using a metal composite material.
  • 5 is a test report on the cross-sectional porosity of a sample manufactured through a metal 3D printer process technology using a metal composite material.
  • FIG. 6 is a view showing the optimal value of the DED process of the metal composite material.
  • FIG. 8 is a view showing a tensile specimen manufactured according to the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing an implant manufactured by the present invention.
  • the metal composite material (1) of the present invention compensates for the low hardness, weak erosion and corrosion of Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy, and is light and excellent in strength, Ti metal/alloy parts/products It has characteristics suitable for manufacturing.
  • the metal composite material 1 includes a Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy 10 , Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) 30 , and a flexible material 50 .
  • the Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy 10 is an ⁇ + ⁇ alloy among Ti-alloys classified into ⁇ alloys, ⁇ alloys, and ⁇ + ⁇ alloys. It refers to a Ti(Titanium)-Al(Aluminum) system having a reinforcing effect, which contains the ⁇ -phase stabilizing element of vanadium (V).
  • the Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy 10 is chemically inert, so it has biocompatibility, corrosion resistance, and excellent oxidation resistance at less than 600° C., tensile, It has good mechanical strength such as fatigue, elongation, and toughness, has low density, has high specific strength, and has excellent yield strength.
  • FIG. 2 shows the physical property values of the Ti-6Al-4V alloy.
  • the Young's modulus of the Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy 10 is 110 ⁇ 140 GPa
  • elongation at break (Elongation at break) may show 13 ⁇ 16%.
  • Vickers hardness is 290 ⁇ 350, which shows a low value compared to other excellent physical property values. It is supplemented by Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) 30 to be described later.
  • YSZ Yttria Stabilized Zirconia
  • the Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy 10 may be composed of 80.0 to 99.9 wt% based on the total weight of the metal composite material 1, more preferably may be 95% by weight.
  • the Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) 30 refers to a ceramic material made to be stable even at room temperature by adding yttrium oxide (yttria) to zirconium oxide (zirconia). Some of Zr 4 + ion by being yttria (Yttria) is added to zirconia (Zirconia) is replaced by Y 3+. Accordingly, instead of 4 O 2 ions, 3 O 2 ions are replaced, and as a result, oxygen vacancy is created. Because of the oxygen vacancies created in this way, the yttria-stabilized zirconia has O 2 -ion conductivity, and the higher the temperature, the better the conductivity.
  • yttria zirconium oxide
  • Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) 30 the properties of the Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy, which have relatively low hardness and are vulnerable to various wear and erosion corrosion, are supplemented.
  • Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) 30 excellent physical properties of the Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy may be maintained.
  • the Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) 30 may be composed of 0.1 to 20.0 wt% based on the total weight of the metal composite material 1, more preferably, 5 wt%.
  • FIG. 3 is a table showing the content of Ti-6Al-4V alloy and Yttria Stabilized Zirconia (YSZ).
  • the content of the Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy 10 When this is 80.0 to 99.9 wt%, the content of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) is 0.1 to 20.0 wt%, preferably the Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy (10) The content is 95% by weight, and the content of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) is 5% by weight.
  • the metal composite material 1 When the content of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) 30 is 10 wt% or less, the metal composite material 1 has superior hardness and wear resistance compared to Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy. It is suitable for use in fields requiring lightweight materials such as aerospace and automobiles.
  • YSZ Yttria Stabilized Zirconia
  • the content of the Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) 30 is 45% by weight or more, the hardness of the metal composite material 1 may be greatly increased, but the Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) 30 is increased. Due to the content of the metal composite material (1), when the product made of the metal composite material (1) receives an external force, the object hardly shows plastic deformation and is suddenly destroyed, which is a phenomenon in which fragility (Fragility) may occur, so YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) ) When the content of 30 is composed of 45% by weight or more, it may be necessary to add a soft material 50 to be described later.
  • the ductile material 50 is a material having a property of being deformed and stretched when a tensile force is applied, and refers to a ductile material.
  • the flexible material 50 may have a property of being thin and elongated without being destroyed even if the material receives a force greater than or equal to the elastic limit, and may be viewed as a material having a strain rate. According to the flexible material 50, it is possible to absorb a lot of impact or energy, and shows a large deformation prior to destruction when an excessive load is applied.
  • the content of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) 30 constituting the metal composite material 1 is 45% by weight or more, the hardness of the material increases and brittleness may occur, such brittleness
  • the flexible material 50 may be additionally included in the metal composite material 1 to reduce the
  • FIG. 4 is a test report on Vickers hardness of a sample produced through a metal 3D printer process technology using a metal composite material (1).
  • the product name is 5% ZTi (300W, 1.5g)
  • material And the standard is 5% ZTi
  • the test method is ASTM E92-17, as a result of measuring the Vickers Hardness of the sample produced through the metal composite material (1) of the present invention, the value was measured as 438 , it can be seen that the hardness of the Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) alloy 10 is significantly improved compared to the Vickers Hardness of 290 to 350.
  • FIG. 5 is a test report regarding the cross-sectional porosity of a sample manufactured through a metal 3D printer process technology using a metal composite material (1).
  • the product name is 5%ZTi (400W, 1.5g)
  • material and specification are 5%ZTi
  • the test method is ASTM E562-19, as a result of measuring the cross-sectional porosity of the sample produced through the metal composite material (1) of the present invention, through the metal composite material (1) of the present invention
  • the cross-sectional porosity of the prepared sample was measured to be 0.23%, indicating that the lamination process by the 3D printer was excellent.
  • the 3D printing method (S1) of the present invention refers to 3D printing using the metal composite material 1, and preferably, powder is supplied in real time in a protective gas atmosphere and melted and laminated immediately after supply using a high-power laser.
  • a DED (Directed Energy Deposition) method may be used.
  • FIG. 6 is a view showing the optimum value of the DED process of the metal composite material.
  • the coaxial Ar Gas flow rate was 7 l/min and the Powder Ar Gas flow rate was 3 l/ min
  • the flow rate of the shield argon gas (Shield Ar Gas) was preferably 10 l / min.
  • the powder feed amount (Powder Feed) is 2.5 g / min, but it was confirmed experimentally that it is preferable to be offset (Offset) in the range of ⁇ 0.1 g / min.
  • FIG. 7 is a state diagram of the present invention, referring to FIG. 7 , a laser (L) is irradiated to the surface of the base material (S) for the DED process to form a molten pool (M), and coaxial argon gas (Coaxial Ar Gas) , C) Flow rate 7 l/min, Powder Ar Gas (P) flow rate 3 l/min, Shield Ar Gas (S) flow rate 10 l/min, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum) )
  • the metal composite material (1) containing a -4V (Vanadium) alloy and YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) is sprayed to form a metal layer (D).
  • FIG. 7 a laser (L) is irradiated to the surface of the base material (S) for the DED process to form a molten pool (M), and coaxial argon gas (Coaxial Ar Gas) , C) Flow rate 7 l/min, Powder
  • FIG. 8 shows a tensile specimen manufactured by this process
  • FIG. 9 shows a hip joint implant manufactured by this process.
  • the present invention it is possible to supplement the low hardness of Ti (Titanium)-6Al (Aluminum)-4V (Vanadium) alloy and the problems of wear, erosion, and corrosion, and through the metal composite material (1) of the present invention
  • the manufactured product is light and has excellent strength, so it can be widely used in aerospace, automobile, and medical implant fields.
  • the DED process technology value that can perform the optimal process is provided, and problems such as isolation and peeling do not occur during the DED lamination process, The planned lamination process can be performed more smoothly.

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Abstract

본 발명은 금속 복합 소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금의 낮은 경도, 취약한 침식과 부식을 보완하여, 가볍고 강도가 우수하며, Ti 금속/합금 부품/제품 제조에 적합한 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금과 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하는 금속 복합 소재를 제공하며, 상기 금속 복합 소재를 사용해 DED(Directed Energy Deposition) 방식에 의한 3D 프린팅시, 원활한 적층을 가능하게 하는 상기 금속 복합 소재의 3D 프린팅 공정 최적값을 제공하는 것을 특징으로 하는, 금속 복합 소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.

Description

금속 복합 소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법
본 발명은 금속 복합 소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금의 낮은 경도, 취약한 침식과 부식을 보완하여, 가볍고 강도가 우수하며, Ti 금속/합금 부품/제품 제조에 적합한 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금과 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하는 금속 복합 소재를 제공하며, 상기 금속 복합 소재를 사용해 DED(Directed Energy Deposition) 방식에 의한 3D 프린팅시, 원활한 적층을 가능하게 하는 상기 금속 복합 소재의 3D 프린팅 공정 최적값을 제공하는 것을 특징으로 하는, 금속 복합 소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
금속 3D 프린터는 절삭가공(Subtractive Machining)과 대조되는 적층제조(Additive Manufacturing)기술을 사용하는 것으로, CNC, 밀링과 같은 일반 가공기와는 달리, 금속에 레이저를 조사하며 점차 형상을 이루어가는 장치를 말한다. 이러한 금속 3D 프린터는 해마다 새로운 3D 프린팅 기술이 개발되며 미래의 핵심 산업으로 주목받고 있다.
금속 적층 방식으로는 크게 두 가지로 분류할 수 있다.
하나는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식으로, 이 방식은 분말공급 장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수십 ㎛의 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후 한층 한 층씩 용융시켜 쌓아 올라가는 방식을 말한다. PBF 방식은 SLS(Selected Laser Sintering) 또는 SLM(Selected Laser Melting), Laser Cursing, DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 등의 용어도 혼용하고 있으나 그 원리는 동일하다.
다른 하나는 DED(Directed Energy Deposition) 방식으로, 이 방식은 보호가스 분위기에서 분말을 실시간으로 공급하여 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시 용융되어 적층해 나가는 방식이다. 상대적으로 정밀하고 형상자유도 구현에 유리한 방식은 PBF 방식이며, DED 방식은 비교적 정밀도가 떨어지므로 후가공이 필요하지만, 생산성이 비교적 높고, 반복재현성이 우수하며, 강도와 충격치가 높은 장점을 가지고 있다.
도 1은 DED(Directed Energy Deposition) 공정을 도시한 도면으로, 도 1을 참고하면, DED(Directed Energy Deposition) 공정은 고출력 레이저 빔(Laser Beam)을 국부적으로 모재(Substrate)에 조사하여, 모재 표면에 용융풀(Melting Pool)을 형성하고, 동시에 분말 공급 장치로부터 분말 가스(Powder Gas)를 통해 실시간으로 금속 분말(Metal Powder)을 용융풀에 공급한다. 모재와 분말이 용융되어 혼합된 용융풀은 급속 응고되면서 치밀하고 미세한 조직을 갖는 금속층(Deposited Region)을 형성하게 된다.
상기 DED 공정에 사용되는 소재로, Ti(Titanium)-합금이 있다.
상기 Ti(Titanium)-합금은, 물질의 강도를 밀도로 나누어 같은 질량의 물질이 얼마나 큰 강도를 가지고 있는지를 나타내는 지수인 비강도(Specific Strength)가 높으며, 우수한 내식성, 생체친화성 등으로 인하여, 항공우주, 해양, 스포츠, 의료 등의 다양한 산업 분야에 적용되고 있다.
Ti-합금에서의 주요 평형상(Equilibrium Phase)은 α와 β상으로 합금원소의 종류와 양에 따라 상온에서 안정한 평형상이 α상이 되기도 하고 β상이 되기도 한다. 이와 같은 상온에서의 안정상 기준으로, 상기 Ti-합금은 α합금, β합금, α+β합금으로 분류된다.
이중 가장 널리 사용되고 있는 합금은 α+β합금으로, α상을 안정화시키고 고용강화 효과를 갖는 Ti(Titanium)-Al(Aluminum)계를 기본 조성으로 하고, 여기에 몰리브덴(Mo), 철(Fe), 바나듐(V), 크롬(Cr) 등의 β상 안정화 원소나, 지르코늄(Zr), 주석(Sn) 등의 중성원소가 함유된다.
α+β합금 중 가장 대표적인 합금은 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금이다. Ti-6Al-4V 합금는 열간가공성, 용접성이 우수하고, 열처리에 의한 다양한 기계적 성질이 얻어지기 때문에, 전체 Ti-합금 사용량의 60% 이상을 차지하고 있다.
Ti-6Al-4V 합금은, 화학적으로 불활성이어서 생체 적합성이 있고, 내부식성을 가지며, 600℃ 미만에서 우수한 산화 저항성을 가지고, 인장(Tensile), 피로(Fatigue), 신장(Elongation), 인성(Toughness) 등의 기계적 강도가 좋고, 낮은 밀도를 가지며, 높은 비강도(Specific Strength)와, 우수한 항복강도(Yield Strength)를 가지는 장점이 있다.
하지만, 상기 Ti-6Al-4V 합금은 낮은 경도에 의해 마모 저항성이 낮은 단점이 있다.
구체적으로, Ti-6Al-4V 합금의 영률(Young's Modulus)은 110 ~ 140 GPa, 인장 강도(Tensile Strength)는 850 ~ 900 MPa, 인성(Tenacity)은 33 ~ 110 MPa·m1/2, 절단 신장율(Elongation at break)은 13 ~ 16 %를 보이지만, 비커스 경도(Vickers Hardness)는 290 ~ 350으로 우수한 다른 물리적 특성값에 비해 낮은 경도를 보이고 있다.
이에 관련 업계에서는, Ti-6Al-4V 합금의 낮은 경도와, 침식 및 부식 취약을 보완하고, 보다 더 가볍고 강도가 우수하며, Ti 금속/합금 부품/제품 제조에 적합한 새로운 금속복합소재의 개발을 요구하고 있는 실정이다.
또한, DED 공정에는 금속 소재 뿐만 아니라, 3D 프린터 공정 최적값을 찾는 것이 중요하다. 아무리 좋은 금속 소재라고 하더라도, 적절한 공정값에 의해 제어되지 아니하면, 3D 프린팅 과정 중 격리 또는 박리 현상이 발생할 수 있기 때문이다.
도 1에도 도시된 바와 같이, DED 공정시 공급되는 가스에는, 동축 가스(Coaxial Gas), 분말 가스(Powder Gas) 등이 있는데, 최적의 3D 프린팅을 위해서는 이들의 분당 공급 유량이 결정될 필요가 있고, 이러한 가스 유량값과 함께, 적층 공정이 원활하게 이루어질 수 있도록, 분당 공급되는 분말의 양이 정해질 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 금속 복합 소재의 개발뿐만 아니라, 이러한 금속 복합 소재를 사용해 3D 프린팅을 할 때의 공정 최적값을 함께 제공하고자 한다.
(특허문헌 1) 한국공개특허공보 제10-2013-0048880호 (2013.05.13.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로,
본 발명의 목적은, 경도가 상대적으로 낮아 각종 마모나 침식, 부식에 취약한 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금을 보완한 새로운 금속 복합 소재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금에 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하여, 가볍고, 강도가 우수하며, Ti 금속/합금 부품/제품 제조에 적합한 3D 프린용 금속 복합 소재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금이 80.0 ~ 99.9 중량%이고, YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)가 0.1 ~ 20.0 중량%인 금속 복합 소재를 구성하여, 기존 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금의 우수한 특성을 그대로 유지하되, 상대적으로 낮은 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금의 경도가 높아지도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금과 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하는 금속 복합 소재를 제공하여, 항공 우주, 자동차, 임플란트 등의 분야에서 사용되는 부품을 3D 프린팅 방식에 의해 용이하게 제작할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 금속 복합 소재 중 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)의 함량을 10 중량% 이하로 구성하여, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금에 비하여 경도와 내마모성이 우수해 지도록 함으로써, 항공우주나 자동차와 같이 경량 소재를 요구하는 분야에서의 사용이 적합하도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)의 함량을 45 중량% 이상으로 구성하되, 연성 재료를 추가로 포함한 금속 복합 소재를 구성하여, 취성이 강한 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)의 특성에 인성을 부여될 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금과 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하는 금속 복합 소재의 우수한 기계적 특성이, 3D 프린팅을 통해 만들어지는 제품에 그대로 발현되도록 하는 최적의 3D 프린팅 공정 최적값을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, DED(Directed Energy Deposition) 방식에 의한 3D 프린팅시에, 동축 아르곤 가스(Coaxial Ar Gas) 유량이 7 l/min, 분말 아르곤 가스(Powder Ar Gas) 유량이 3 l/min, 보호 아르곤 가스(Shield Ar Gas) 유량이 10 l/min, 분말 공급량(Powder Feed)이 2.5 ± 0.1 g/min 가 되도록 하여, 적층 진행시 샘플의 박리 혹은 크랙 결함 등이 생기지 않도록 하는 것이다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금과, YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금은 80.0 ~ 99.9 중량% 이고, 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)는 0.1 ~ 20.0 중량% 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금은 95 중량% 이고, 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)는 5 중량% 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)는 10 중량% 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)는 45 중량% 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 금속 복합 소재는, 취성을 감소시키는 연성재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 금속 복합 소재를 이용한 3D 프린팅 방법인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 3D 프린팅 방법은, DED(Directed Energy Deposition) 방식인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 3D 프린팅 방법은, 동축 가스(Coaxial Gas) 유량이 7 l/min 이고, 분말 가스(Powder Gas) 유량이 3 l/min 이며, 보호 가스(Shield Gas) 유량이 10 l/min 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 동축 가스, 분말 가스 및 보호 가스는, 아르곤(Ar) 가스인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 3D 프린팅 방법은, 분말 공급량(Powder Feed)이 2.5 ± 0.1 g/min 인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은, 경도가 상대적으로 낮아 각종 마모나 침식, 부식에 취약한 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금을 보완한 새로운 금속 복합 소재를 제공하는 효과를 가진다.
본 발명은, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금에 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하여, 가볍고, 강도가 우수하며, Ti 금속/합금 부품/제품 제조에 적합한 3D 프린용 금속 복합 소재를 제공하는 효과를 도출한다.
본 발명은, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금이 80.0 ~ 99.9 중량%이고, YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)가 0.1 ~ 20.0 중량%인 금속 복합 소재를 구성하여, 기존 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금의 우수한 특성을 그대로 유지하되, 상대적으로 낮은 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금의 경도가 높아지도록 하는 효과가 있다.
본 발명은, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금과 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하는 금속 복합 소재를 제공하여, 항공 우주, 자동차, 임플란트 등의 분야에서 사용되는 부품을 3D 프린팅 방식에 의해 용이하게 제작할 수 있도록 하는 효과를 가진다.
본 발명은, 금속 복합 소재 중 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)의 함량을 10 중량% 이하로 구성하여, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금에 비하여 경도와 내마모성이 우수해 지도록 함으로써, 항공우주나 자동차와 같이 경량 소재를 요구하는 분야에서의 사용이 적합하도록 하는 효과를 도출한다.
본 발명은, YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)의 함량을 45 중량% 이상으로 구성하되, 연성 재료를 추가로 포함한 금속 복합 소재를 구성하여, 취성이 강한 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)의 특성에 인성을 부여될 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금과 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하는 금속 복합 소재의 우수한 기계적 특성이, 3D 프린팅을 통해 만들어지는 제품에 그대로 발현되도록 하는 최적의 3D 프린팅 공정 최적값을 제공하는 효과를 가진다.
본 발명은, DED(Directed Energy Deposition) 방식에 의한 3D 프린팅시에, 동축 아르곤 가스(Coaxial Ar Gas) 유량이 7 l/min, 분말 아르곤 가스(Powder Ar Gas) 유량이 3 l/min, 보호 아르곤 가스(Shield Ar Gas) 유량이 10 l/min, 분말 공급량(Powder Feed)이 2.5 ± 0.1 g/min 가 되도록 하여, 적층 진행시 샘플의 박리 혹은 크랙 결함 등이 생기지 않도록 하는 효과를 도출한다.
도 1은 DED(Directed Energy Deposition) 공정을 도시한 도면.
도 2는 Ti-6Al-4V 합금의 물리적 특성값을 도시한 표.
도 3은 Ti-6Al-4V 합금과 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)의 함량을 도시한 표.
도 4는 금속 복합 소재를 사용하여 금속 3D 프린터 공정기술을 통해 제작한 샘플의 비커스 경도에 관한 시험성적서.
도 5는 금속 복합 소재를 사용하여 금속 3D 프린터 공정기술을 통해 제작한 샘플의 단면 공극률에 관한 시험성적서.
도 6은 금속 복합 소재의 DED 공정 최적값을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 사용상태도.
도 8은 본 발명에 의해 제조된 인장시편을 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 의해 제조된 임플란트를 도시한 도면.
이하에서는 본 발명에 따른 금속 복합 소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 공지의 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에서 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에서 사용된 정의에 따른다.
본 발명인 금속 복합 소재(1)는, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금의 낮은 경도, 취약한 침식과 부식을 보완하여, 가볍고 강도가 우수하며, Ti 금속/합금 부품/제품 제조에 적합한 특징이 있다. 이러한 상기 금속 복합 소재(1)는, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금(10)과, YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)(30)과, 연성재(50)를 포함한다.
상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금(10)은, α합금, β합금, α+β합금으로 분류되는 Ti-합금 중 α+β합금으로, α상을 안정화시키고 고용강화 효과를 갖는 Ti(Titanium)-Al(Aluminum)계를 기본 조성으로 하며, 여기에 바나듐(V)의 β상 안정화 원소가 함유된 것을 말한다.
상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금(10)은, 화학적으로 불활성이어서 생체 적합성이 있고, 내부식성을 가지며, 600℃ 미만에서 우수한 산화 저항성을 가지고, 인장(Tensile), 피로(Fatigue), 신장(Elongation), 인성(Toughness) 등의 기계적 강도가 좋으며, 낮은 밀도를 가지고, 높은 비강도(Specific Strength)와, 우수한 항복강도(Yield Strength)를 가진다.
도 2는 Ti-6Al-4V 합금의 물리적 특성값을 도시한 것으로, 실험적 데이터에 의하면, 상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금(10)의 영률(Young's modulus)은 110 ~ 140 GPa, 인장 강도(Tensile strength)는 850 ~ 900 MPa, 인성(Tenacity)은 33 ~ 110 MPa·m1/2, 절단 신장율(Elongation at break)은 13 ~ 16 %를 보일 수 있다.
다만, 비커스 경도(Vickers Hardness)는 290 ~ 350으로, 우수한 다른 물리적 특성값에 비해 낮은 수치를 보이는바, 이러한 상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금(10)의 단점은 후술할 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)(30)에 의해 보완된다.
바람직하게는, 상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금(10)은, 상기 금속 복합 소재(1)의 전체 중량에서 80.0 ~ 99.9 중량% 로 구성될 수 있으며, 보다 바람직하게는, 95 중량%가 될 수 있다.
상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)(30)는, 산화지르코늄(지르코니아)에 산화이트륨(이트리아)을 첨가하여 상온에서도 안정하도록 만든 세라믹 재료를 말한다. 지르코니아(Zirconia)에 이트리아(Yttria)가 첨가됨으로써 Zr4 +이온 중 일부가 Y3+로 대체된다. 이에 따라 4개의 O2- 이온 대신 3개의 O2- 이온으로 대체되며 결과적으로 산소빈자리(Oxygen Vacancy)가 만들어진다. 이렇게 생성된 산소빈자리 때문에 이트리아 안정화 지르코니아는 O2-이온 전도성을 갖게 되며 온도가 높을수록 전도도가 좋아진다.
상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)(30)에 의해, 상대적으로 경도가 낮고, 각종 마모나 침부식에 취약한 상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금의 특성이 보완되게 된다. 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)(30)의 첨가에도 불구하고, 상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금의 우수한 물성은 그대로 유지가 될 수 있다.
상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)(30)는, 상기 금속 복합 소재(1)의 전체 중량에서 0.1 ~ 20.0 중량% 로 구성될 수 있으며, 보다 바람직하게는, 5 중량%가 될 수 있다.
도 3은 Ti-6Al-4V 합금과 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)의 함량을 도시한 표로, 도 3을 참고하면, 상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금(10)의 함량이 80.0 ~ 99.9 중량% 일 때, 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)의 함량은 0.1 ~ 20.0 중량% 가 되며, 바람직하게는 상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금(10)의 함량은 95 중량%, 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)의 함량은 5 중량% 가 된다.
상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)(30)의 함량이 10 중량% 이하인 경우, 상기 금속 복합 소재(1)는 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금에 비하여 경도와 내마모성이 우수해 지는바, 항공우주나 자동차와 같이 경량 소재를 요구하는 분야에서의 사용에 적합해 진다.
또한, 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)(30)의 함량이 45 중량% 이상으로 구성될 경우, 금속 복합 소재(1)의 경도가 크게 높아질 수는 있으나, 높아진 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)(30)의 함량에 의해, 상기 금속 복합 소재(1)로 만들어진 제품이 외부에서 힘을 받았을 때 물체가 소성 변형을 거의 보이지 아니하고 급작스럽게 파괴되는 현상인 취성(Fragility)이 발생할 수 있으므로, YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)(30)의 함량이 45 중량% 이상으로 구성되는 경우에는 후술할 연성재(50)의 첨가가 필요할 수 있다.
상기 연성재(50)는, 인장력이 작용했을 때 변형하여 늘어나는 성질을 가진 재료로, 연성 재료(Ductile Material)을 의미한다. 상기 연성재(50)는 재료가 탄성한계 이상의 힘을 받아도 파괴되지 않고 재료가 가늘고 길게 늘어나는 성질을 가질 수 있으며, 변형률을 가지는 재료로 볼 수 있다. 상기 연성재(50)에 의하면 충격이나 에너지를 많이 흡수할 수 있고, 과하중이 작용할 때 파괴에 앞서 큰 변형을 보여준다. 전술한 바와 같이, 상기 금속 복합 소재(1)를 이루는 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)(30)의 함량을 45 중량% 이상으로 구성할 경우, 재료의 경도가 높아져 취성이 발생할 수 있는바, 이러한 취성을 감소시키기 위해 상기 금속 복합 소재(1)에는 상기 연성재(50)가 추가로 포함될 수 있다.
도 4는 금속 복합 소재(1)를 사용하여 금속 3D 프린터 공정기술을 통해 제작한 샘플의 비커스 경도에 관한 시험성적서로, 도 4를 참고하면, 품명은 5%ZTi(300W, 1.5g), 재질 및 규격은 5%ZTi, 시험방법은 ASTM E92-17에 의해, 본 발명인 금속 복합 소재(1)를 통해 제작된 샘플의 비커스 경도(Vickers Hardness)를 측정해본 결과, 그 값이 438로 측정되었는바, 전술한 상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금(10)의 비커스 경도(Vickers Hardness)가 290 ~ 350인 것에 비해, 경도가 크게 향상 되었음을 알 수 있다.
또한, 도 5는 금속 복합 소재(1)를 사용하여 금속 3D 프린터 공정기술을 통해 제작한 샘플의 단면 공극률에 관한 시험성적서로, 도 5를 참고하면, 품명은 5%ZTi(400W, 1.5g), 재질 및 규격은 5%ZTi, 시험방법은 ASTM E562-19에 의해, 본 발명인 금속 복합 소재(1)를 통해 제작된 샘플의 단면공극률을 측정한 결과, 본 발명인 금속 복합 소재(1)를 통해 제작된 샘플의 단면공극률은 0.23%로 측정되어, 3D 프린터에 의한 적층 공정이 우수하게 이루어졌음을 알 수 있었다.
본 발명인 3D 프린팅 방법(S1)은, 상기 금속 복합 소재(1)를 이용하여 3D 프린팅 하는 것을 말하며, 바람직하게는 보호가스 분위기에서 분말을 실시간으로 공급하여 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시 용융되어 적층해 나가는 방식인 DED(Directed Energy Deposition) 방식이 사용될 수 있다.
아무리 우수한 소재라고 하더라도, 3D 프린터에 의한 3D 프린팅 공정에 해당 소재가 투입되었을 때, 적절한 공정값에 의해 제어되지 못하면, 3D 프린팅 중 격리 또는 박리가 일어나며, 적층이 원활하게 진행되지 못할 수 있는바, 최적의 3D 프린팅 공정기술값을 찾는 것이 중요할 수 있다.
도 6은 금속 복합 소재의 DED 공정 최적값을 도시한 도면으로, 도 6을 참고하면, 상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금과 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하는 금속 복합 소재(1)의 DED(Directed Energy Deposition) 공정기술 값을 실험적으로 찾은 결과, 동축 아르곤 가스(Coaxial Ar Gas) 유량은 7 l/min, 분말 아르곤 가스(Powder Ar Gas) 유량은 3 l/min, 보호 아르곤 가스(Shield Ar Gas) 유량은 10 l/min 가 됨이 바람직하였다.
또한, 분말 공급량(Powder Feed)은 2.5 g/min 으로 하되, ± 0.1 g/min 의 범위에서 오프셋(Offset)됨이 바람직함을 실험적으로 확인하였다.
도 7은 본 발명의 사용상태도로, 도 7을 참고하면, DED 공정을 위해 모재(S)의 표면에 레이저(L)가 조사되어 용융풀(M)을 형성하고, 동축 아르곤 가스(Coaxial Ar Gas, C) 유량 7 l/min, 분말 아르곤 가스(Powder Ar Gas, P) 유량 3 l/min, 보호 아르곤 가스(Shield Ar Gas, S) 유량 10 l/min 하에, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금과 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하는 금속 복합 소재(1)가 분사되어 금속층(D)을 형성하게 된다. 도 8은 이러한 과정에 의해 제조된 인장시편을, 도 9는 이러한 과정을 통해 제조된 고관절 임플란트를 도시하고 있다. 본 발명에 의하면, Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금의 낮은 경도와, 마모, 침식, 부식의 문제를 보완할 수 있게 되며, 본 발명의 금속 복합 소재(1)를 통해 제조된 제품은 가볍고, 강도가 우수해, 항공우주, 자동차, 의료용 임플란트 분야 등에 널리 활용될 수 있게 된다. 또한, 상기 금속 복합 소재(1)를 사용해 DED 공정을 수행할 때 최적의 공정을 수행할 수 있는 DED 공정 기술값을 제공하고 있는바, DED 적층 공정 중 격리, 박리 등의 문제가 발생하지 않고, 보다 원활하게 계획된 적층 공정을 수행할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금과,
    YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 복합 소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금은 80.0 ~ 99.9 중량% 이고, 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)는 0.1 ~ 20.0 중량% 인 것을 특징으로 하는, 금속 복합 소재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 Ti(Titanium)-6Al(Aluminum)-4V(Vanadium) 합금은 95 중량% 이고, 상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)는 5 중량% 인 것을 특징으로 하는, 금속 복합 소재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)는 10 중량% 이하인 것을 특징으로 하는, 금속 복합 소재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)는 45 중량% 이상인 것을 특징으로 하는, 금속 복합 소재.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 복합 소재는, 취성을 감소시키는 연성재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 복합 소재.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 금속 복합 소재를 이용한 3D 프린팅 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 방법은, DED(Directed Energy Deposition) 방식인 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 방법은, 동축 가스(Coaxial Gas) 유량이 7 l/min 이고, 분말 가스(Powder Gas) 유량이 3 l/min 이며, 보호 가스(Shield Gas) 유량이 10 l/min 인 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 동축 가스, 분말 가스 및 보호 가스는, 아르곤(Ar) 가스인 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 방법은, 분말 공급량(Powder Feed)이 2.5 ± 0.1 g/min 인 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅 방법.
    .
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180065152A (ko) * 2016-12-07 2018-06-18 한국생산기술연구원 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제, 이를 이용한 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법
KR20190090692A (ko) * 2016-11-30 2019-08-02 압델마지드 제마이 티타늄 지르코늄 합금 및 적층 가공에 의한 이의 제조 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190090692A (ko) * 2016-11-30 2019-08-02 압델마지드 제마이 티타늄 지르코늄 합금 및 적층 가공에 의한 이의 제조 방법
KR20180065152A (ko) * 2016-12-07 2018-06-18 한국생산기술연구원 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제, 이를 이용한 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HATTAL AMINE; CHAUVEAU THIERRY; DJEMAI MADJID; FOUCHET JEAN JACQUES; BACROIX BRIGITTE; DIRRAS GUY: "Effect of nano-yttria stabilized zirconia addition on the microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V parts manufactured by selective laser melting", MATERIALS & DESIGN, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 180, 3 June 2019 (2019-06-03), AMSTERDAM, NL , XP085761160, ISSN: 0264-1275, DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107909 *
LIU SHUNYU; SHIN YUNG C.: "Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: A review", MATERIALS & DESIGN, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 164, 1 January 1900 (1900-01-01), AMSTERDAM, NL , XP085577015, ISSN: 0264-1275, DOI: 10.1016/j.matdes.2018.107552 *
SEO J. Y., H.S. YOON, K.Y. LEE, D.S. SHIN: "Study on Effects of Direct Laser Melting Process Parameters on Deposition Characteristics of AlSi12 powders", JOURNAL OF TRANSACTIONS OF MATERIALS PROCESSING, vol. 27, no. 5, 1 October 2018 (2018-10-01), pages 314 - 322, XP055861382, ISSN: 1225-696X, DOI: 10.5228/kstp.2018.27.5.314 *

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