WO2023018153A1 - 진동부와 가열부를 구비한 금속 3d 프린터 - Google Patents

진동부와 가열부를 구비한 금속 3d 프린터 Download PDF

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WO2023018153A1
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WO
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unit
heating
substrate
metal
vibration
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PCT/KR2022/011793
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Inventor
이승환
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
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    • B22F10/20—Direct sintering or melting
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • 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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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 3D printer having a vibrating unit and a heating unit, and more particularly, to a vibrating unit capable of inducing miniaturization and homogenization of the solidified structure of a structure by applying vibration and heat to the structure before it solidifies while the structure is being formed. and a metal 3D printer having a heating unit.
  • a 3D printer is a device for forming a three-dimensional object using materials, and is a technology that creates a three-dimensional object as if printing by stacking special materials. 3D printers can output complex shapes that are difficult to produce by cutting, so they are currently applied in various fields.
  • 3D printers can be divided into general 3D printing technology that produces products using polymer materials in liquid or powder form, and metal 3D printing technology that produces products using metal materials as heat sources such as arcs or lasers. .
  • metal 3D printing technology which is eco-friendly and economical because there is little waste of material compared to cutting processing methods, is attracting attention.
  • Metal 3D printing technology is classified into a PBF (Powder Bed Fusion) method and a DED (Directed Energy Deposition) method.
  • PBF is a method of laminating by applying metal powder to a bed with a certain thickness and selectively irradiating a laser. It has excellent precision but has a disadvantage of slow output speed.
  • DED is a method of supplying metal powder or wire, melting and stacking materials with a high energy source (heat source such as arc or laser), and has excellent production speed and physical properties of the output.
  • An object of the present invention is to improve the mechanical properties by miniaturizing the crystal grains of the structure laminated on the substrate during product manufacturing in order to solve the above problems, and to control the cooling rate of the structure to homogenize the crystal grains. Vibration unit and heating It is to provide a metal 3D printer equipped with a part.
  • a metal 3D printer having a vibration unit and a heating unit according to the present invention for achieving the above object includes a substrate; a heat source providing unit that melts a metal material supplied from the outside using a heat source on the top of the substrate; a moving means for moving the heat source providing unit along a predetermined path; a vibration unit applying ultrasonic vibration to the substrate; and a heating unit for applying heat to the structure so as to control a cooling rate of the structure stacked on the substrate by melting the metal material, wherein the vibrating unit and the heating unit each vibrate in the direction of the structure before the structure is solidified. And it is characterized by applying heat.
  • the vibration unit according to an embodiment of the present invention is located below the substrate.
  • the substrate according to an embodiment of the present invention is characterized in that it has a cylindrical shape.
  • the vibrating unit according to an embodiment of the present invention has a cylindrical shape, and the entire lower surface of the substrate is in contact with the vibrating unit.
  • the heating unit according to an embodiment of the present invention is characterized in that the structure is heated by an induction heating principle.
  • the heating unit according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is formed in a coil shape to surround the substrate.
  • the structure and the heating unit are relatively moved to heat the second laminated portion, which is the next laminated portion.
  • the heating unit operates for a predetermined time when the first stacking unit is cooled and reaches a predetermined operating temperature, and then moves to the second stacking unit.
  • a height adjustment unit for elevating the heating unit according to the height of the structure is further included.
  • the moving means is characterized in that the heat source providing unit is configured to be movable in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions.
  • the solidification structure of the structure is miniaturized and homogenized, so that the mechanical properties of the structure are improved.
  • the substrate is formed in a cylindrical shape, it is easy to heat the lower portion of the structure by the coil-shaped heating unit surrounding the substrate.
  • the height adjustment unit for adjusting the height of the heating unit since the height adjustment unit for adjusting the height of the heating unit is formed, it is easy to heat the structure entirely or locally.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a metal 3D printer having a vibration unit and a heating unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a vibration unit located under a substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing the configuration of a heating unit formed while surrounding a structure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a view comparing the crystal grain state of the structure before and after the vibrating action of the vibrating unit.
  • FIG. 5 is a view comparing the crystal grain state of the structure before and after the heating action of the heating unit.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a metal 3D printer having a vibrating unit and a heating unit according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a vibrating unit located under a substrate according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a view showing the configuration of a heating unit formed while surrounding a structure according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention is a device having various methods in which a laminated structure can be formed, such as a method such as PBF (Powder Bed Fusion), DED (Directed Energy Deposition) among metal 3D printing methods, or a method in which welding technology is applied to a metal 3D printing method can be applied to
  • the metal 3D printer having a vibrating unit and a heating unit refines crystal grains in the structure 10 during the lamination process of the structure 10 to have a quality desired by the user, or
  • a device for promoting homogenization it includes a heat source providing unit 110, a moving means 120, a substrate 130, a vibrating unit 140 and a heating unit 150.
  • the heat source providing unit 110 is a means for applying heat to the metal material (eg, metal powder or metal wire) so that the metal material is melted.
  • the heat source provided by the heat source providing unit 110 may have various forms such as laser, arc, and electron beam. 1 to 3, the heat source providing unit 110 according to an embodiment of the present invention melts a metal material by using a laser heat source.
  • a laser welding head 112 for irradiating a laser in the direction of the substrate 130 is mounted in the heat source providing unit 110 .
  • the heat source providing unit 110 may be a welding torch. At this time, different polarities are provided to the substrate 130 and the metal material, and a high-temperature arc is generated by a potential difference between these two electrodes.
  • a nozzle may be formed to discharge the metal material to the substrate 130, and the nozzle may be attached to the heat source providing unit 110 or configured separately.
  • the moving unit 120 is connected to the heat source providing unit 110 so that the heat source providing unit 110 moves along a predetermined path.
  • the moving means 120 moves in at least one of the three axes (x-axis, y-axis, z-axis) directions, or at least one of the roll, pitch, and yaw directions around the three axes.
  • a device capable of rotating in one or more directions it may be, for example, a robot arm.
  • the moving means 120 may move the heat source providing unit 110 in a direction in which the structures 10 are stacked to produce a three-dimensional shape desired by the user.
  • the substrate 130 is a portion where the structure 10 is stacked to produce an object.
  • the metal material is melted by the heat source providing unit 110, and the structure 10 is formed as the melted material is stacked on the upper surface of the substrate 130.
  • the substrate 130 is located under the heat source providing unit 110 .
  • the substrate 130 may be formed in various shapes such as a rectangular plate, but in one embodiment of the present invention, it is formed in a substantially cylindrical shape. Effects when the substrate 130 is formed in a cylindrical shape will be described later.
  • the material of the substrate 130 is not limited. As described above, in order for the heat source providing unit 110 to generate an arc according to another embodiment of the present invention, the substrate 130 may be made of a metal material.
  • the substrate 130 is fixed and the moving means 120 is connected to the heat source providing unit 110 so that the heat source providing unit 110 moves on the top of the substrate 130, but other In the embodiment, the moving means 120 may be connected to the substrate 130 so that the heat source providing unit 110 is fixed and the substrate 130 moves.
  • the vibrator 140 is fixed on the base 101 and is positioned under the substrate 130 to vibrate the substrate 130 .
  • the shape of the vibrator 140 is not limited, but the vibrator 140 according to an embodiment of the present invention has a substantially cylindrical shape.
  • the upper surface of the vibrating unit 140 has a substantially similar radius to the lower surface of the substrate 130, and the upper surface of the vibrating unit 140 contacts the entire lower surface of the substrate 130. .
  • the vibration generated from the vibrating unit 140 affects the entire substrate 130. can be uniformly transmitted to the substrate 130, and the structure 10 placed on the substrate 130 can also receive the vibration uniformly.
  • the position of the vibrating unit 140 is not limited.
  • the vibration unit 140 may be disposed on a side surface of the substrate 130 .
  • the vibrator 140 vibrates by generating ultrasonic waves.
  • the range of ultrasonic frequencies generated by the vibrating unit 140 may be variously set according to the material and shape of the structure 10 . In one embodiment of the present invention, the range of ultrasonic frequencies is 20 kHz to 60 kHz.
  • Ultrasonic excitation by the vibrator 140 mixes the molten metal and at the same time uniformly distributes heat in the molten metal to participate in the formation of a uniform structure 10 . Therefore, it is preferable that the vibrating unit 140 continuously vibrates from the time the structure 10 is melted by the heat source to the time it is solidified, but the vibration time may be variously set according to the user's intention.
  • the heating unit 150 controls the cooling rate of the structure 10 by applying heat to the structure 10 to be cooled.
  • the heating unit 150 is formed in a coil shape to surround the substrate 130 .
  • the heating unit 150 surrounds the substrate 130 at a predetermined distance from the substrate 130 . Since the induction coil, which is the heating unit 150, is formed in a shape surrounding the substrate 130 at a certain distance from the cylindrical substrate 130, the depth (depth) in the direction of the center of the cylinder during heat transfer from the induction coil to the substrate 130 It is easy to heat so that the temperature according to is uniform. If the temperature of the substrate 130 along the depth in the direction of the center of the cylinder is not uniform, the cooling rate difference within the structure 10 is different because the substrate 130 is in contact with the structure 10 on the top of the substrate 130.
  • the heating unit 150 can move up and down around the substrate 130, it is advantageous for the heating unit 150 to move up and down only when the substrate 130 is formed in a cylindrical shape. Of course, even when the substrate 130 has a different shape, such as a rectangular plate, the heating unit 150 may be formed to surround the substrate 130 .
  • the heating unit 150 applies heat to the structure 10 according to the induction heating principle. Specifically, the heating unit 150 heats the structure 10 by converting electrical energy into thermal energy by electromagnetic induction of a high-frequency current. Components required to supply power to the heating unit 150 for induction heating are mounted in the main body 152, and the heating unit 150 is connected to the main body 152. Since the principle of induction heating is a well-known technique, detailed description thereof will be omitted.
  • the heating unit 150 is configured in the form of a coil and may be located on one side of the structure 10, and may locally heat the structure 10 according to the principle of induction heating. At this time, a separate moving means may be provided for relative movement of the structure 10 and the heating unit 150 .
  • the heating unit 150 may move up and down while surrounding the structure 10 according to the height at which the structures 10 are stacked.
  • the metal 3D printer having the vibration unit and the heating unit according to an embodiment of the present invention further includes a height adjusting unit 160.
  • the height adjusting unit 160 is a means for adjusting the height of the heating unit 150, and for example, a Z-axis stage may be used. As shown in Figure 1, the height adjustment unit 160 is fixed to the base 101 and connected to the main body 152. Therefore, the height of the heating unit 150 is adjusted according to the elevation or descent of the height adjusting unit 160 .
  • the metal 3D printer having a vibrating unit and a heating unit includes a heat source providing unit 110, a moving means 120, a vibrating unit 140, a heating unit 150, and a height adjusting unit ( 160) may be further included.
  • the vibration unit 140 applies ultrasonic vibration to the substrate 130 .
  • the reason why the vibration unit 140 applies ultrasonic vibration to the substrate 130 is to refine crystal grains in the structure 10 in the process of forming the structure 10 . Specific details will be described later.
  • the first laminated portion starts to cool.
  • the heating unit 150 applies heat to the structure 10 to control the cooling rate of the first stacked portion.
  • the height adjusting unit 160 adjusts the height of the heating unit 150 so that the heating unit 150 is positioned at the lower end of the structure 10.
  • the heating unit 150 moves to the corresponding laminated part to heat the next laminated part.
  • the height adjusting unit 160 is raised so that the heating unit 150 moves to the corresponding stacking area. This operation is repeated up to the final height of the structure 10 . That is, the height adjusting unit 160 may raise the heating unit 150 in proportion to the stacking height of the structure 10 .
  • the reason why the heating unit 150 applies heat to the structure 10 is to homogenize crystal grains in the structure 10 in the process of forming the structure 10 . Specific details are described later.
  • the heating unit 150 operates for a predetermined period of time when the laminated area is cooled and reaches a predetermined operating temperature. That is, the heating unit 150 operates for a certain period of time when the first stacked portion reaches the operating temperature, then stops operating and moves to the second stacked portion next to the stacked portion, and operates under the same conditions.
  • Ultrasonic vibration by the vibration unit 140 and heating by the heating unit 150 are performed before the structure 10 is solidified in the process of forming the structure 10 .
  • FIG. 4 is a view comparing crystal grain states of the solidified structure before and after the vibrating action of the vibration unit
  • FIG. 5 is a view comparing the crystal grain states of the solidified structure before and after the heating action of the heating unit.
  • FIGS. 4 and 5 an operating effect of a metal 3D printer having a vibrating unit and a heating unit according to an embodiment of the present invention will be described.
  • Figure 4 (a) is a view showing the solidified structure of the structure 10 in a state in which ultrasonic vibration by the vibrating unit 140 is not transmitted to the substrate 130
  • Figure 4 (b) is a diagram showing the vibrating unit ( It is a view showing the solidified structure of the structure 10 in a state in which ultrasonic vibration by 140 is transmitted to the substrate 130 .
  • FIG. 5 (a) is a view showing the solidification structure of the structure 10 in a state in which the structure 10 is not heated by the heating unit 150
  • FIG. This is a view showing the solidified structure of the structure 10 in a state where the structure 10 is heated by
  • the crystal grains in the structure 10 are homogenized when the structure 10 is solidified, thereby improving the mechanical properties of the structure 10 and a post-heat treatment process performed to obtain a product of a desired quality by the user can be shortened.

Abstract

본 발명은 구조체가 형성되는 동안 응고되기 전에 구조체에 진동과 열을 가하여 구조체 응고조직의 미세화 및 균질화를 유도할 수 있는 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터에 관한 것으로, 기판; 상기 기판의 상부에서 열원을 이용하여 외부로부터 공급되는 금속 소재를 용융시키는 열원제공부; 상기 열원제공부를 기 설정된 경로로 이동시키는 이동수단; 상기 기판에 초음파 진동을 가하는 진동부; 및 상기 금속 소재가 용융되어 상기 기판에 적층 형성되는 구조체의 냉각속도를 제어하도록 상기 구조체에 열을 가하는 가열부;를 포함하고, 상기 진동부 및 가열부는 각각 상기 구조체가 응고되기 전에 구조체 방향으로 진동과 열을 가하는 것을 특징으로 한다.

Description

진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터
본 발명은 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조체가 형성되는 동안 응고되기 전에 구조체에 진동과 열을 가하여 구조체 응고조직의 미세화 및 균질화를 유도할 수 있는 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터에 관한 것이다.
일반적으로 3D 프린터는 소재를 이용하여 3차원 물체를 형성하는 장치로, 특수재료를 적층하는 방식으로 3차원 물체를 인쇄하듯 만들어 내는 기술이다. 3D 프린터는 절삭가공으로 생산하기 어려운 복잡한 형상을 출력할 수 있으므로 현재 다양한 분야에서 적용되고 있다.
이러한 3D 프린터는 액체, 파우더 형태 등의 폴리머 소재를 사용하여 제품을 생산하는 일반 3D 프린팅 기술과, 금속 소재를 아크 또는 레이저 등의 열원을 사용하여 제품을 생산하는 금속 3D 프린팅 기술로 구분될 수 있다. 최근에는 절삭가공 방법에 비해 소재의 낭비가 거의 없어 친환경적이며 경제적인 장점을 가진 금속 3D 프린팅 기술이 주목받고 있다.
금속 3D 프린팅 기술은 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Directed Energy Deposition) 방식으로 분류된다. PBF는 금속파우더를 일정 두께로 베드에 도포하고 레이저를 선택적으로 조사하여 적층하는 방법으로, 정밀도는 뛰어나지만 출력속도가 느린 단점이 있다. DED는 금속 파우더 혹은 와이어를 공급하여 높은 에너지원(아크 또는 레이저와 같은 열원)으로 소재를 용융시켜 적층하는 방식으로 생산속도 및 출력물의 물성이 우수하다.
그러나, 기존 방식의 3D 프린팅 기술에 따르면 금속 소재가 열원에 의해 용융되어 적층되는 과정에서 반복적인 축열로 인해 결정립이 조대화되어 요구되는 인장강도 확보에 어려움이 있다. 또한, 적층되는 구조체 내에서의 냉각속도 차이로 인해 미세조직이 불균일하여 균질화를 위한 후열처리 공정이 요구되는 문제점도 있다.
본 발명의 과제는 상술한 문제를 해결하기 위해 제품을 제조하는 동안 기판에 적층되는 구조체의 결정립이 미세화되도록 하여 기계적 성질을 향상시키고, 구조체의 냉각속도를 제어하여 결정립을 균질화되도록 하는 진동부와 가열부가 구비된 금속 3D 프린터를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터는, 기판; 상기 기판의 상부에서 열원을 이용하여 외부로부터 공급되는 금속 소재를 용융시키는 열원제공부; 상기 열원제공부를 기 설정된 경로로 이동시키는 이동수단; 상기 기판에 초음파 진동을 가하는 진동부; 및 상기 금속 소재가 용융되어 상기 기판에 적층 형성되는 구조체의 냉각속도를 제어하도록 상기 구조체에 열을 가하는 가열부;를 포함하고, 상기 진동부 및 가열부는 각각 상기 구조체가 응고되기 전에 구조체 방향으로 진동과 열을 가하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 진동부는 상기 기판의 하부에 위치한다.
또한, 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 기판은 원통 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 진동부는 원통 형상을 가지며, 상기 기판의 하면 전체가 상기 진동부와 접촉하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 가열부는 유도 가열 원리에 의해 상기 구조체를 가열하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 가열부는 상기 기판을 감싸도록 코일 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 구조체의 가열이 필요한 제1 적층부위의 가열이 종료된 후 다음 적층부위인 제2 적층부위를 가열하도록 상기 구조체와 상기 가열부가 상대 이동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 가열부는 상기 제1 적층부위가 냉각되어 기 설정된 작동온도에 도달한 경우 기 설정된 시간 동안 작동한 후 제2 적층부위로 이동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 구조체의 높이에 따라 상기 가열부를 승강시키는 높이조절부가 더 포함된다.
또한, 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 이동수단은 상기 열원제공부가 X축, Y축, Z축 방향 이동이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 구조체가 형성되는 과정에서 응고되기 전에 초음파 진동과 열이 가해지므로 구조체의 응고 조직이 미세화 및 균질화되므로 구조체의 기계적 성질이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 구조체가 형성되는 과정에서 미리 초음파 진동과 열이 가해지므로 사용자가 원하는 품질의 제품을 제작하기 위한 후처리 공정이 단축되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기판이 원통 형상으로 형성되므로 기판을 감싸는 코일 형태의 가열부가 구조체의 하단 부위를 가열하는 것이 용이하다.
또한, 본 발명에 따르면, 가열부의 높이를 조절하기 위한 높이조절부가 형성되어 있어 구조체를 전체적으로 또는 국부적으로 가열하는 것이 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 하부에 위치한 진동부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조체를 감싸면서 형성된 가열부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 진동부의 진동작용 전과 후의 구조체의 결정립 상태를 비교한 도면이다.
도 5는 가열부의 가열작용 전과 후의 구조체의 결정립 상태를 비교한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 하부에 위치한 진동부의 구성을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조체를 감싸면서 형성된 가열부의 구성을 나타낸 도면이다.
한편, 본 발명은 금속 3D 프린팅 방식 중 PBF(Powder Bed Fusion), DED(Directed Energy Deposition) 등의 방식 또는 금속 3D 프린팅 방식에 용접 기술을 적용한 방식 등 적층 구조가 형성될 수 있는 다양한 방식을 가진 장치에 적용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터는 사용자가 원하는 품질을 갖도록 구조체(10)의 적층 과정에서 구조체(10) 내 결정립의 미세화 또는 균질화를 도모하기 위한 장치로서, 열원제공부(110), 이동수단(120), 기판(130), 진동부(140) 및 가열부(150)를 포함한다.
열원제공부(110)는 금속 소재(예를 들어 금속 분말 또는 금속 와이어 등)가 융융되도록 금속 소재에 열을 가하는 수단이다. 열원제공부(110)에서 제공되는 열원은 레이저, 아크, 전자 빔 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열원제공부(110)는 레이저 열원을 이용하여 금속 소재를 용융시킨다. 열원제공부(110)에는 기판(130) 방향으로 레이저를 조사하는 레이저 용접 헤드(112)가 장착된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열원제공부(110)는 용접 토치일 수 있다. 이때, 기판(130)과 금속 소재에 서로 다른 극성이 제공되어 이들 두 전극의 전위차에 의해 고온의 아크(Arc)가 발생한다.
금속 소재를 기판(130)에 토출하기 위해 노즐이 형성될 수 있고, 이러한 노즐은 열원제공부(110)에 부착되거나 별도로 구성될 수 있다.
이동수단(120)은 열원제공부(110)가 기 설정된 경로로 이동하도록 열원제공부(110)에 연결된다. 이동수단(120)은 3축(x축, y축, z축) 방향 중 적어도 어느 하나 이상의 방향으로 이동하거나, 3축을 중심으로 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 방향 중 적어도 어느 하나 이상의 방향으로 회전할 수 있는 장치로서, 일 예로 로봇팔일 수 있다. 이동수단(120)은 구조체(10)가 적층되어 사용자가 원하는 3차원 형상이 제작되는 방향으로 열원제공부(110)를 이동시킬 수 있다.
기판(130)은 구조체(10)가 적층되어 대상물이 제작되는 부위이다. 열원제공부(110)에 의해 금속 소재가 용융되고, 기판(130)의 상면에서 용융물이 적층되면서 구조체(10)가 형성된다.
기판(130)은 열원제공부(110)의 하부에 위치한다. 기판(130)은 사각판 등 다양한 형태로 형성될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에서는 대략 원통 형상으로 형성된다. 기판(130)이 원통 형상으로 형성되는 경우의 효과에 대해서는 후술하기로 한다.
기판(130)의 재질에는 제한이 없다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따라 열원제공부(110)가 아크를 발생시키기 위해 기판(130)은 금속 재질로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 기판(130)은 고정되고 기판(130)의 상부에서 열원제공부(110)가 이동하도록 이동수단(120)이 열원제공부(110)에 연결되나, 다른 실시예에서는 열원제공부(110)가 고정되고 기판(130)이 이동하도록 기판(130)에 이동수단(120)이 연결될 수 있다.
진동부(140)는 베이스(101) 상에 고정되고, 기판(130)의 하부에 위치하여 기판(130)을 진동시킨다. 진동부(140)의 형상에는 제한이 없으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동부(140)는 대략 원통 형상을 가진다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 진동부(140)의 상면은 기판(130)의 하면과 대략 유사한 반경을 가지며, 진동부(140)의 상면은 기판(130)의 하면 전체와 접촉한다. 기판(130)과 진동부(140)가 원통 형상으로 형성되어 기판(130)의 하면 전체가 진동부(140)의 상면과 접촉되면, 진동부(140)에서 발생되는 진동이 기판(130) 전체에 균일하게 전달될 수 있고, 기판(130) 위에 놓인 구조체(10) 역시 진동을 균일하게 전달받을 수 있다.
한편, 기판(130)을 진동시킬 수 있다면 진동부(140)의 위치에는 제한이 없다. 예를 들어, 진동부(140)는 기판(130)의 측면에 배치될 수도 있다.
진동부(140)는 초음파를 발생시켜 진동을 수행한다. 진동부(140)에서 발생되는 초음파 진동수의 범위는 구조체(10)의 소재, 형상 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 초음파 진동수의 범위는 20kHz 내지 60kHz이다.
진동부(140)에 의한 초음파 가진은 용융된 금속을 섞어주는 동시에 용융된 금속 내의 열을 균일하게 분포시켜 균일한 구조체(10) 형성에 관여한다. 따라서, 진동부(140)는 구조체(10)가 열원에 의해 용융된 시점부터 응고되는 시점까지 지속적으로 진동을 가해주는 것이 바람직하나, 진동 시간은 사용자의 의도에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 구조체(10)가 적층되는 과정에서 이전에 적층된 부위는 냉각되기 시작한다. 가열부(150)는 냉각되는 구조체(10)에 열을 가하여 구조체(10)의 냉각 속도를 제어한다.
본 발명의 일 실시예에서 가열부(150)는 기판(130)을 감싸도록 코일 형태로 형성된다. 가열부(150)는 기판(130)과 일정 거리 떨어진 상태로 기판(130)을 감싸고 있다. 가열부(150)인 유도 코일이 원통 형상의 기판(130)과 일정 거리 떨어진 상태로 기판(130)을 감싸는 형상으로 구성되므로 유도 코일로부터 기판(130)으로의 열전달시 원통 중심 방향 깊이(심도)에 따른 온도가 균일하도록 가열하는데 용이하다. 만일, 기판(130)의 원통 중심 방향 깊이에 따른 온도가 균일하기 않을 경우, 기판(130)이 기판(130) 상단의 구조체(10)와 맞닿아 있기 때문에 구조체(10) 내에서의 냉각속도 차이를 야기하며, 이는 응고시 구조체(10) 내 결정립 불균질로 이어질 수 있다. 또한, 후술하겠으나, 가열부(150)는 기판(130)을 중심으로 승강할 수 있으므로 기판(130)이 원통 형상으로 형성되어야 가열부(150)가 승강하는 것이 유리하다. 물론, 기판(130)의 형상이 사각판 등 다른 형상인 경우에도 가열부(150)가 기판(130)을 감싸도록 형성될 수 있다.
가열부(150)는 유도 가열 원리에 따라 구조체(10)에 열을 가한다. 구체적으로, 가열부(150)는 고주파 전류의 전자기 유도에 의해 전기에너지를 열에너지로 변환시켜 구조체(10)를 가열한다. 유도 가열을 위해 가열부(150)에 전원을 공급하는데 필요한 구성은 본체(152) 내에 장착되고, 가열부(150)는 본체(152)와 연결된다. 유도 가열 원리는 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가열부(150)는 코일 형태로 구성되어 구조체(10)의 일측에 위치할 수 있고, 유도 가열 원리에 따라 구조체(10)를 국부적으로 가열할 수 있다. 이때, 구조체(10)와 가열부(150)의 상대 이동을 위해 별도의 이동수단이 마련될 수 있다.
한편, 가열부(150)는 구조체(10)가 적층되는 높이에 따라 구조체(10)를 감싸면서 승강할 수 있다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터는 높이조절부(160)를 더 포함한다.
높이조절부(160)는 가열부(150)의 높이를 조절하는 수단으로, 예를 들어 Z축 스테이지가 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 높이조절부(160)는 베이스(101)에 고정되고 본체(152)와 연결된다. 따라서 높이조절부(160)의 상승 또는 하강에 따라 가열부(150)의 높이가 조절된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터는 열원제공부(110), 이동수단(120), 진동부(140), 가열부(150) 및 높이조절부(160)를 제어하기 위한 제어부가 더 포함될 수 있다.
이하, 상술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터의 작동 과정을 설명한다.
레이저 용접 헤드(112)로부터 레이저가 분사되어 금속 소재가 용융되면서 기판(130)에 용융물이 쌓인다. 용융물이 적층되면 구조체(10)가 형성된다. 구조체(10)가 형성되는 과정 동안 진동부(140)에서는 기판(130)에 초음파 진동을 가한다. 진동부(140)가 기판(130)에 초음파 진동을 가하는 이유는 구조체(10)가 형성되는 과정에서 구조체(10) 내 결정립을 미세화시키기 위함이다. 구체적인 내용은 후술하기로 한다.
구조체(10)가 적층되는 동안 먼저 적층된 부위는 냉각되기 시작한다. 예를 들어, 구조체(10)의 가장 먼저 적층된 부위(구조체의 하단 부위)가 냉각되면 가열부(150)는 먼저 적층된 부위의 냉각 속도를 제어하기 위해 구조체(10)에 열을 가한다. 이때, 높이조절부(160)는 가열부(150)가 구조체(10)의 하단 부위에 위치하도록 가열부(150)의 높이를 조절한다. 상술한 바와 같이, 기판(130)은 원형 형상이고 코일 형태의 가열부(150)는 기판(130)을 감싸도록 형성되므로 구조체(10)의 하단을 가열하는 것이 수월하다. 구조체(10)의 하단 부위의 가열이 끝나면 다음 적층 부위를 가열하기 위해 가열부(150)는 해당 적층 부위로 이동한다. 이를 위해 높이조절부(160)가 상승하여 가열부(150)가 해당 적층 부위로 이동한다. 이러한 동작을 구조체(10)의 최종 높이까지 반복한다. 즉, 높이조절부(160)는 구조체(10)의 적층 높이에 비례하여 가열부(150)를 상승시킬 수 있다. 가열부(150)가 구조체(10)에 열을 가하는 이유는 구조체(10)가 형성되는 과정에서 구조체(10) 내 결정립을 균질화시키기 위함이다. 구체적인 내용은 후술한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 가열부(150)는 적층된 부위가 냉각되다가 기 설정된 작동온도에 도달하면 기 설정된 일정 시간 동안 작동한다. 즉, 가열부(150)는 먼저 적층된 제1 적층 부위가 작동온도에 도달하면 일정 시간 동안 작동하다가 작동을 멈추고 다음 적층된 제2 적층 부위로 이동하여 동일한 조건으로 작동한다.
진동부(140)에 의한 초음파 진동과 가열부(150)에 의한 가열은 구조체(10)가 형성되는 과정에서 구조체(10)가 응고되기 전에 수행된다.
도 4는 진동부의 진동작용 전과 후의 응고된 구조체의 결정립 상태를 비교한 도면이며, 도 5는 가열부의 가열작용 전과 후의 응고된 구조체의 결정립 상태를 비교한 도면이다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터의 작동효과를 설명한다.
도 4의 (a)는 진동부(140)에 의한 초음파 진동이 기판(130)에 전달되지 않은 상태에서 구조체(10)의 응고 조직을 도시한 도면이고, 도 4의 (b)는 진동부(140)에 의한 초음파 진동이 기판(130)에 전달된 상태에서 구조체(10)의 응고 조직을 도시한 도면이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 구조체(10)가 형성되는 과정에서 금속 소재가 적층될 때 반복적인 축열로 인해 구조체(10)가 응고되었을 때 구조체(10) 내 결정립이 조대화되어 인장강도 등 기계적 성질이 떨어지게 된다.
도 4의 (b)를 참조하면, 구조체(10)가 형성되는 과정에서 기판(130)으로 초음파 진동이 전달되면 구조체(10) 내 결정립이 미세화되므로 구조체(10)의 기계적 성질이 향상되고, 사용자가 원하는 품질의 제품을 얻기 위해 수행되는 후처리 공정이 단축될 수 있다.
도 5의 (a)는 가열부(150)에 의해 구조체(10)가 가열되지 않은 상태에서 구조체(10)의 응고 조직을 도시한 도면이고, 도 5의 (b)는 가열부(150)에 의해 구조체(10)가 가열된 상태에서 구조체(10)의 응고 조직을 도시한 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 구조체(10)가 형성되는 과정에서 냉각되면 구조체(10) 내에서의 냉각속도 차이로 인해 구조체(10)가 응고되었을 때 구조체(10) 내 결정립이 불균질하게 형성된다.
도 5의 (b)를 참조하면, 구조체(10)가 형성되는 과정에서 특정 조건에서 가열되면 구조체(10)가 응고되었을 때 구조체(10) 내 결정립이 균질화되어 구조체(10)의 기계적 성질이 향상되고, 사용자가 원하는 품질의 제품을 얻기 위해 수행되는 후열처리 공정이 단축될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에서 열원을 이용하여 외부로부터 공급되는 금속 소재를 용융시키는 열원제공부;
    상기 열원제공부를 기 설정된 경로로 이동시키는 이동수단;
    상기 기판에 초음파 진동을 가하는 진동부; 및
    상기 금속 소재가 용융되어 상기 기판에 적층 형성되는 구조체의 냉각속도를 제어하도록 상기 구조체에 열을 가하는 가열부;를 포함하고,
    상기 진동부 및 가열부는 각각 상기 구조체가 응고되기 전에 구조체 방향으로 진동과 열을 가하는 것을 특징으로 하는,
    진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동부는 상기 기판의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은 원통 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 진동부는 원통 형상을 가지며, 상기 기판의 하면 전체가 상기 진동부와 접촉하는 것을 특징으로 하는 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는 유도 가열 원리에 의해 상기 구조체를 가열하는 것을 특징으로 하는 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 기판을 감싸도록 코일 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조체의 가열이 필요한 제1 적층부위의 가열이 종료된 후 다음 적층부위인 제2 적층부위를 가열하도록 상기 구조체와 상기 가열부가 상대 이동하는 것을 특징으로 하는 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 제1 적층부위가 냉각되어 기 설정된 작동온도에 도달한 경우 기 설정된 시간 동안 작동한 후 제2 적층부위로 이동하는 것을 특징으로 하는 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조체의 높이에 따라 상기 가열부를 승강시키는 높이조절부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동수단은 상기 열원제공부가 X축, Y축, Z축 방향 이동이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 진동부와 가열부를 구비한 금속 3D 프린터.
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