KR101761649B1 - 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물 - Google Patents

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Abstract

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

Description

3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물 {METAL POWDER-CONTAINING COMPOSITION FOR THREE DIMENSIONAL PRINTING}
본 발명은 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물에 관한 것으로, 더 상세하게는 금속 분말이 함유된 원료를 3차원 프린팅을 위한 공급 원료로 이용하여 고강도성과 함께 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 3차원 프린팅 기술로 제조할 수 있도록 하는 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물에 관한 것이다.
3차원(3D, 3-Dimension) 프린터는 인쇄하고자 하는 대상에 대한 3차원 데이터를 이용하여, 그 대상과 동일 또는 유사한 형태를 갖도록 3차원으로 형상물을 성형하는 장비이다. 3차원 프린팅은 다양한 분야에서 사용이 확산되어 가고 있다. 이러한 3차원 프린터는 과거에는 대량생산 이전의 모델링이나 샘플 제작과 같은 용도로 활용되었으나, 최근에는 다품종 소량생산 제품을 중심으로 양산 가능한 제품의 성형에도 사용될 수 있는 기술적 기반이 조성됨에 따라, 다수의 부품으로 구성된 자동차 분야 외에도 의료용 인체모형이나 칫솔이나 면도기와 같은 가정용 제품 등의 다양한 모형을 만들기 위한 용도로 많은 제조 업체에서 사용하고 있다.
3차원 프린터의 제품성형 방식은 크게 대상 물체를 2차원의 평면형태로 성형한 것을 3차원으로 적층하면서 용융부착하여 형태를 만들어가는 이른바 첨가형과, 재료덩어리를 조각하듯이 절삭해서 형태를 만들어가는 절삭형이 있다. 그리고, 첨가형의 일종으로 열가소성 플라스틱으로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송롤을 통해 공급하고, 공급된 필라멘트를 작업대에 대하여 상대적으로 XYZ 세 방향으로 위치가 조절되는 3차원 이송기구에 장착된 압출 헤드의 노즐에서 용융시켜 배출함으로써 2차원 평면형태(프린트 층)를 플레이트 상에 반복적으로 적층하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상을 갖는 제품을 성형하는 필라멘트 용융 적층 성형방법이 있다.
현재 3D 프린팅에 가장 많이 쓰이는 소재는 빛을 받으면 굳는 광경화성 고분자 물질 '포토폴리머(photopolymer)'이다. 이는 전체 시장의 56%를 차지한다. 그 다음으로 인기 있는 소재는 녹고 굳는 것이 자유로운 고체 형태의 열가소성 플라스틱으로 시장의 40%를 점유하고 있다. 열가소성 플라스틱 소재의 형태로서 필라멘트(filament) 형태가 주로 이용되고 있는데, 현존하는 필라멘트 소재로는 폴리락트산(polylactic acid, PLA), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), HDPE(high density polyethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 등이 사용되고 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 플라스틱 소재는 경도가 낮은 문제로, 고강도성과 높은 정밀도를 요하는 금속 부품과 같은 강(鋼)제품을 성형하기에는 접합하지 아니하다는 한계가 존재한다.
대한민국 공개특허 제10-2015-0025865호 (공개일자 : 2015년 3월 11일, 발명의 명칭 : 3D 프린터용 금속 수지 조성물)
본 발명의 목적은 금속 분말이 함유된 원료를 이용하여 3차원 프린팅을 수행함으로써, 기계적 물성이 우수하고 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 성형할 수 있도록 하는 3차원 프린터의 공급 원료로 이용되는 금속 분말 함유 조성물을 제공하고자 함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 3차원 프린팅에 의해 성형된 금속 제품의 기계적 물성을 보장할 수 있도록 하는 금속 분말이 함유된 조성물을 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물은, 3차원 프린터의 인쇄 헤드로 공급되는 원료로 사용되는 금속 분말 함유 조성물로서, 금속 분말과 고분자 바인더를 혼련하고 분쇄 및 조립화(造粒化)한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속 분말은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말에 해당할 수 있다.
이때, 상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.0중량% 이하, Cr: 18 ~ 20중량%, Ni: 10 ~ 12중량%, Mo: 0.2중량% 이하, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말일 수 있다.
이때, 상기 금속 분말은 C: 0.03중량% 이하, Si: 1.0중량% 이하, Mn: 1.5중량% 이하, Cr: 16 ~ 18중량%, Ni: 11 ~ 14중량%, Mo: 2 ~ 3중량%, P: 0.03중량% 이하, S: 0.03중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말일 수 있다.
이때, 상기 고분자 바인더는 결합제, 가소제 및 윤활제를 포함할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물은, 상기 금속 분말이 90.0 ~ 94.0중량%, 상기 결합제가 3.0 ~ 5.0중량%, 상기 가소제가 2.5 ~ 3.5중량% 및 상기 윤활제가 0.5 ~ 1.5중량%를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 결합제는 폴리에틸렌(Polyethylene) 공중합체에 해당할 수 있다.
이때, 상기 가소제는 파라핀 왁스(Paraffin wax)에 해당할 수 있다.
이때, 상기 윤활제는 스테아린산(Stearic acid)에 해당할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물은, 상기 금속 분말과 상기 고분자 바인더가 170℃ 이상의 온도에서 혼련되고 펠렛타이저에 의해 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화되어 제조될 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속 분말이 함유된 원료를 이용하여 3차원 프린팅을 수행함으로써, 기계적 물성이 우수하고 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 성형할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 3차원 프린팅에 의해 성형된 금속 제품의 기계적 물성을 보장할 수 있도록 하는 금속 분말이 함유된 원료를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물을 이용하여 3차원 프린팅을 수행하는 3차원 프린팅 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물로 제조된 3차원 프린팅 제품에 대한 탈지, 소결 및 냉각 구간에서의 시간 대 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 금속 분말 함유량에 따른 3차원 프린팅 제품의 소결 전/후에 있어서 수축 정도를 비교한 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물을 이용하여 3차원 프린팅을 수행하는 3차원 프린팅 시스템(10)을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물(30)은 금속 분말(20a)와 고분자 바인더(20b)를 혼련기(Kneading machine, 100)를 통해 고온으로 균질하게 혼련하고 분쇄기 또는 펠렛타이저를 이용하여 분쇄 및 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화(造粒化)하여 제조한다. 이렇게 제조된 금속 분말 함유 조성물(30)은 3차원 프린팅 시스템(10)에서 3차원 인쇄 방식으로 적층되어 강(鋼)제품을 제조하기 위해 사용되는 공급 원료로서 3차원 프린터(300)의 압출 헤드(310)로 공급된다. 여기서, 금속 분말 함유 조성물(30)은 3차원 프린터(300)의 압출 헤드(310)에 원할하게 공급될 수 있도록, 원료 공급기(200)에 의해 용융 및 가압 사출되어 상기 압출 헤드(310)로 공급되는 것이 바람직하다. 압출 헤드(310)로 공급된 금속 분말 함유 조성물(30)은 핫멜트 접착제 건(gun)과 유사한 방식으로 플레이트(330)의 표면으로 토출되어 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린트 층이 연속적으로 적층됨으로써 반제품(半製品, 40)을 형성하게 된다. 이렇게 성형된 반제품(40)은 탈지기(400)에서 용매 및 열간 탈지 방식에 의해 고분자 바인더 성분이 제거되고, 소결로(500)에서 고온으로 소결된 후 상온까지 냉각되어 고밀도의 금속 소결체인 최종 강(製)제품(50)으로 추출되는 과정이 이루어진다.
3차원 프린팅 방식으로 고강도의 강(製)제품을 성형하기 위해서, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 3차원 프린팅의 원료로서, 금속 분말을 고분자 바인더로 응집시킨 조성물을 제시한다. 특히, 이러한 조성물을 제조하기 위해 본 발명에서는 금속 분말로서 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강(鋼) 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스강이 분체화(粉體化)된 금속 분말을 이용한다.
오스테나이트계 스테인레스강은 별명 Cr-Ni계 스테인레스강으로 불리고, Fe에 Cr과 Ni을 첨가한 것이다. 오스테나이트계 스테인레스강의 주성분은 Fe, Cr, Ni로 이루어지고, 그 외에는 다음의 표 1에 나타내는 각종의 첨가물이 있다.
다음의 표 1은 본 발명에서 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물을 제조하기 위해 사용되는 금속 분말의 성분인 오스테나이트계 스테인레스강의 바람직한 예를 나타낸 것이고, 본 발명의 실시의 형태는 이 예만으로 한정하는 것은 아니다.
성분 C Si Mn Cr Ni Mo P S 기타
조성 1
(질량%)		 0.03
이하		 1.0
이하		 1.0
이하		 18 ~ 20 10 ~ 12 0.2
이하		 0.03
이하		 0.03
이하		 잔부 Fe 및
기타 불가피한 불순물
조성 2
(질량%)		 0.03
이하		 1.0
이하		 1.5
이하		 16 ~ 18 11 ~ 14 2 ~ 3 0.03
이하		 0.03
이하		 잔부 Fe 및
기타 불가피한 불순물
탄소(C) : 0.03중량％ 이하
탄소(C)는 내식성을 개선하기 위해 첨가되는 크롬(Cr)과 반응하여, 입계에 크롬(Cr) 탄화물로서 석출하기(precipitate chromium carbide in the grain boundary) 때문에 내식성의 저하를 초래하는 경우가 있다. 따라서, 탄소(C)의 함유량은 적을수록 바람직하고, 탄소(C)가 0.03중량％ 이하이면, 내식성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 탄소(C)의 함유량은0.03중량％ 이하가 바람직하다.
규소(Si) : 1.0중량％ 이하
규소(Si)는 탈산을 위해 유효한 원소이며, 용제(溶製) 단계에서 첨가된다. 그러나 과잉하게 함유시키면 탈지 및 소결 후 추출된 강(鋼)제품이 경질화(causes hardening of the stainless steel sheet)하여, 연성이 저하되는(decrease ductility) 경우가 있기 때문에, 규소(Si)의 함유량은 1.0중량％ 이하가 바람직하다.
망간(Mn) : 1.5중량％ 이하
망간(Mn)은 불가피적으로 혼입된 황(S)과 결합하여, 스테인리스강에 고용(固溶)한 황(S)을 저감하는 효과를 갖고, 황(S)의 입계편석을 억제(suppresses segregation of sulfur at the grain boundary)하여, 탈지 및 소결 후 추출된 강(鋼)제품의 균열을 방지하는 데에(prevents cracking of the steel sheet during hot rolling) 유효한 원소이다. 그러나, 1.5중량％를 초과하여 첨가해도 첨가하는 효과의 증가는 거의 없다. 오히려, 과잉하게 첨가함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 망간(Mn)의 함유량은 1.5중량％ 이하가 바람직하다.
니켈(Ni) : 10 ~ 14중량％
니켈(Ni)은 오스테나이트상을 안정화시키는 원소이며, 오스테나이트계 스테인리스를 제조하는 경우에 첨가한다. 그 때, 니켈(Ni)의 함유량이 14중량％를 초과하면, 니켈(Ni)을 과잉하게 소비함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 니켈(Ni)의 함유량은 14중량％ 이하가 바람직하다.
몰리브덴(Mo) : 3중량％ 이하
몰리브덴(Mo)은 스테인리스강의 틈 부식 등의 국부 부식을 억제하는 데에 유효한 원소이다. 따라서, 강(鋼)제품이 가혹한 환경에서 사용되는 경우에는 몰리브덴(Mo)을 첨가하는 것이 유효하다. 그러나, 3중량％를 초과하여 첨가하면, 스테인리스강이 취화(embrittlement)되어 생산성이 저하되는 경우가 있고, 몰리브덴(Mo)을 과잉하게 소비함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 몰리브덴(Mo)의 함유량은 3중량％ 이하가 바람직하다.
인(P) : 0.03중량％ 이하
인(P)은 연성의 저하를 초래하기 때문에 낮은 쪽이 바람직하지만, 0.03중량％ 이하이면 연성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 인(P)의 함유량은 0.03중량% 이하가 바람직하다.
황(S) : 0.03중량％ 이하
황(S)은 망간(Mn)과 결합하여 황화망간(MnS)을 형성함으로써 내식성을 저하시키는 원소이며 낮은 쪽이 바람직하다. 0.03중량％ 이하이면 내식성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 황(S)의 함유량은 0.03중량％ 이하가 바람직하다.
잔부는 철(Fe) 및 불가피적 불순물이다.
본 발명에서, 표 1의 조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비를 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말은 입자직경(D50) 9.5 ~ 11㎛의 크기를 갖는 금속 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 최종 완성품인 강(製)제품의 밀도를 높이고, 분말의 표면적이 작아 고분자 바인더 함량을 줄일 수 있으며 탈지가 원할하게 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 소결 시 균일한 수축을 유지하도록 하기 위해서, 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말은 구(球)형으로 분체화(粉體化)된 금속 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말을 제조하는 방식은 액체화된(과열된) 오스테나이트계 스테인레스 금속 스트림을 미세한 액적(droplet)으로 비산(飛散)시키고 그 다음 입자직경(D50) 9.5 ~ 11㎛의 구형 고체입자로 냉각하는 분무 공정에 의해 제조될 수 있다.
조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비로 조성되고 9.5 ~ 11㎛의 입자직경(D50)으로 구형 분체화된 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말은 결합제, 가소제 및 윤활제를 포함하는 고분자 바인더와 혼련된다. 이때, 금속 분말 함유 조성물의 전체 중량에 대해 오스나이트계 스테인레스 금속 분말이 90.0 ~ 94.0중량%로 포함되고, 고분자 바인더가 6.0 ~ 10.0중량%로 포함될 수 있다. 오스나이트계 스테인레스 금속 분말이 금속 분말 함유 조성물의 전체 중량에 대해 90.0 중량% 미만이면, 후술하는 탈지 공정에 의해 다량의 고분자 바인더가 제거되어 반제품(40)의 형상이 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 유지되지 아니하고, 94.0 중량%를 초과하게 되면, 고분자 바인더가 소량으로 첨가되어 3차원 프린팅을 진행하기 위한 공급 원료로서의 응집력을 확보하기 어렵다.
결합제는 구형 분체화된 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말 간의 결합력이 낮아 3차원 프린팅 과정에서 필요한 응집력을 확보하기 위해 첨가되는 주쇄(backbone) 바인더로서, 폴리스틸렌(Polystyrene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene-vinylacetate), 에틸렌에틸아크릴레이트(Ethylene-ethylacrylate), 메틸메타아크릴레이트(Methal-methacrylate), 부틸메타아크릴레이트(Butyl-methacrylate)으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 공중합체가 포함할 수 있다. 특히, 오스나이트계 스테인레스 금속 분말에 첨가되는 결합제로는 폴리에틸렌 공중합체인 것이 바람직한데, 폴리에틸렌 공중합체는 고온에서 제거되는 한편, 열간 탈지 공정을 거친 강(鋼)제품이 형상을 유지시킨다. 상기 폴리에틸렌 공중합체는 금속 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 3 내지 5중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
가소제는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말과 결합제의 결합으로 응집된 조성물에 첨가되어 3D 프린팅 시 성형 가공을 용이하게 하는 유기물질로서, 마이크로크리스탈라인 왁스(Microcrystalline wax), 파라핀 왁스(Paraffin wax), 몬탄 왁스(Montan wax) 등이 이용될 수 있다. 특히, 본 발명에서는 가소제로서 비교적 저온에서도 고분자 바인더 간의 결합력을 낮춰 연성을 높일 수 있는 파라핀 왁스(Paraffin Wax)를 첨가한다. 상기 파라핀 왁스는 금속 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 2.5 내지 3.5중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
윤활제는 금속 분말 함유 조성물이 원료 공급기 내에서 용융된 후 가압 사출 시에 표면 미끄럼성을 좋게 하여 공급 유도관을 경유하는 3차원 프린터(200)의 압출 헤드(210)로의 공급이 원할하게 이루지도록 첨가하는 성분으로서, 스테아린산(Stearic acid), 오레인산(Oleic acid), 팔미틴산(Palmitic acid), 리노레인산(Linolenic acid) 등이 이용될 수 있으나, 본 발명에서는 스테아린산을 첨가한다. 상기 스테아린산은 금속 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 0.5 내지 1.5중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
상술한 조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비를 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말과, 고분자 바인더를 고분자 바인더에 포함된 결합제인 폴리에틸렌 공중합체가 완전히 용융되는 온도인 170℃의 고온에서 1시간 동안 균일하게 혼련한 후, 이를 상온까지 냉각한다. 이렇게 가열 혼련 후 냉각된 혼합물은 분쇄기 또는 펠렛타이저에서 분쇄되고 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화(造粒化)됨으로써, 금속 분말 함유 조성물이 최종적으로 제조된다.
본 발명에 따른 금속 분말 함유 조성물은 3차원 프린팅의 공급 원료로서 하기의 공정이 진행되어 강(製)제품으로 성형된다. 먼저 상술한 금속 분말 함유 조성물을 원료 공급기(200)에 투입하고, 용융 및 가압 사출하여 공급 유도관을 통해 3차원 프린터(300)의 압출 헤드(310)로 공급한다. 다음으로, 상기 압출 헤드(310)로부터 용융된 금속 분말 함유 조성물을 플레이트(330)로 토출시킨다. 압출 헤드(310)가 플레이트(330)의 상면에 대해 X축 및 Y축으로 움직이며 하나의 프린트 층을 쌓고 다시 Z축으로 한 층을 올린 뒤 상기와 같이 X축과 Y축으로 움직이며 다음 프린트 층을 쌓고 다시 Z축으로 한 층이 올라가며 연속적으로 프린팅하는 방식으로 인쇄하고자 하는 대상의 입체적인 3차원 형상을 갖는 반제품(40)을 성형하게 된다.
그리고, 3차원 프린터에 의해 성형된 반제품(40)은 탈지기(400)에서 탈지(Debinding) 공정을 거치게 되는데, 우선 탈랍(Dewaxing) 공정에 해당하는 용매 탈지 공정에서 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran) 또는 헵탄(Heptane) 용매에 상기 반제품(40)을 침지시켜 반제품(40)에 함유되어 있는 고분자 바인더 중 파라핀 왁스와 스테아린산을 1차적으로 제거한다. 이때, 용매의 온도는 25 ~ 35℃로 24시간 이상 용매 탈지 공정을 진행한다. 용매의 온도가 25℃ 미만이면 반제품(40)으로부터 파라핀 왁스와 스테아린산이 급격하게 제거됨에 따라 반제품(40)에 크랙(Crack)이 발생되기 쉽다. 용매의 온도가 35℃를 초과하면 일정 시간 동안에 반제품(40)으로부터 파라핀 왁스와 스테아린산이 제거되는 속도(제거율)가 낮게 되어, 후술하는 열간 탈지 공정 중에 잔류하는 파라핀 왁스와 스테아린산이 급격하게 제거됨에 따라 반제품(40)에 크랙(Crack)이 발생되기 쉽고, 목표하는 제거율을 달성하기 위해서 용매 탈지 공정이 장시간 소요되는 문제가 발생한다. 또한, 25 ~ 35℃ 온도의 용매에 24시간 미만으로 반제품(40)을 침지시키면 파라핀 왁스와 스테아린산이 제거되는 속도(제거율)가 낮게 되어 열간 탈지 공정 중에 잔류하는 파라핀 왁스와 스테아린산이 급격하게 제거됨에 따라 반제품(40)에 크랙(Crack)이 발생될 수 있다.
다음으로, 열간 탈지 공정을 진행하여 상기 용매 탈지 공정에서 제거되지 않고 반제품(40)에 남아 있는 잔량의 파라핀 왁스 및 스테아린산과, 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran) 또는 헵탄(Heptane) 용매에 용해되지 않는 폴리에틸렌 공중합체를 열을 가하여 제거한다. 이때, 열간 탈지에 의한 반제품(40)으로부터 고분자 바인더의 제거는 승온 속도가 중요하다. 따라서, 도 2에 도시된 시간 대 온도 그래프의 탈지 구간에서의 승온 과정과 같이, 파라핀 왁스, 스테아린산, 폴리에틸렌 공중합체 각각이 제거되는 온도 구간에 대하여 승온 속도를 낮게 유지하고, 온도 유지시간을 길게 설정하여 반제품(40)에서 보다 확실하게 파라핀 왁스, 스테아린산 및 폴리에틸렌 공중합체가 제거될 수 있도록 한다. 열간 탈지를 진행하는 총 소요 시간은 40시간 이상이 바람직하며, 반제품(40)에 함유된 오스테나이트계 스테인레스 금속이 산화되는 것을 최대한 방지하기 위해 질소(N2) 분위기에서 열간 탈지를 진행하는 것이 바람직하다. 탈지 구간의 온도 범위는 500℃ 이하이나, 경우에 따라 탈지의 완료 후에 소결 공정으로 반제품(40)을 이동 시 진공 분위기에서 900℃까지 단계적으로 승온하여 1차 가소결하는 공정을 진행할 수 있다. 이는 탈지 공정을 거친 반제품(40)은 고분자 바인더가 제거된 상태로서 취급이 어렵기 때문에 1차 가소결을 실시한다. 1차 가소결된 반제품(40)은 탈지 공정 직후의 반제품(40)에 비해 수축률 약 0.5 내지 1.0%의 미세한 부피 수축이 발생한다.
탈지 공정에서 고분자 바인더가 제거된 반제품(40)은 소결로(500)에서 소결(Sintering) 공정을 거쳐 소결체로서의 최종적인 강(鋼)제품으로 추출된다. 소결 공정에서는 일반 소결, 가압 소결, 열간 정수압 소결 중 어느 하나의 소결방식이나, 이들을 조합한 소결 방식으로 고분자 바인더가 제거된 반제품(40)을 소결하여 강(鋼)제품(50)을 추출할 수 있다. 본 발명에서는, 일반 소결과 열간 정수압 소결 방식으로 반제품(40)을 소결한다. 먼저 반제품(40)에 대한 일반 소결 공정은 진공 분위기에서 진행하며, 이후의 열간 정수압 소결 및 냉각 공정에서는 아르곤(Ar) 분위기에서 소결을 진행한다. 2에 도시된 시간 대 온도 그래프의 소결 구간에서의 가열 과정과 같이, 일반 소결 공정으로 진공 분위기에서 1,000℃까지 승온하면서 소결을 진행하고, 이후 열간 정수압 소결 공정으로 아르곤(Ar) 분위기에서 1,350℃까지 승온한 후 1,350℃ 온도로 1 내지 3시간 동안 유지시켜 소결 과정을 진행한다. 그리고, 최종적으로 상온까지 반제품(40)을 냉각하여 강(鋼)제품(50)을 추출한다. 열간 정수압 소결 공정은 반제품(40)의 물리적, 기계적 특성을 향상시키기 위해 실시하는 공정으로서, 반제품(40)의 오스테나이트계 스테인레스강에 포함되어 있는 크롬(Cr)과 니켈(Ni) 성분의 휘발을 방지하기 위해서 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체에 의해 등방적으로 가압 및 가열함으로써, 균질하고 밀도가 높은 강(鋼)제품(50)을 얻을 수 있다. 이때, 아르곤(Ar) 가스의 압력은 1,000 내지 1,200bar인 것이 바람직하다.
조성 1(SUS-304L) 또는 조성 2(SUS-316L)에 따른 오스나이트계 스테인레스 금속 분말을 금속 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 90.0 ~ 94.0중량%로 함유시킨 경우에 있어서, 본 발명에 따라 3차원 프린팅 공정 직후 성형된 반제품(40) 대비 소결/냉각 공정이 완료된 후 추출된 강(鋼)제품(50)의 수축률은 도 3에 도시된 바와 같다. 도 3을 참조하면, 조성 1(SUS-304L) 또는 조성 2(SUS-316L)에 따른 오스나이트계 스테인레스 금속 분말이 금속 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 90.0중량%로 함유된 경우에는 약 20 내지 20.5%의 수축률을 보이며, 94.0중량%로 함유된 경우에는 약 15.5 내지 16중량%의 수축률을 보인다. 조성 1(SUS-304L) 또는 조성 2(SUS-316L)에 따른 오스나이트계 스테인레스 금속 분말의 함유량이 금속 분말 함유 조성물 전체 중량 대비 90.0 ~ 94.0중량%로 함유된 구간에서 수축률은 금속 분말 함유량이 높아질수록 선형적으로 감소됨을 확인할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 3차원 프린팅 시스템
20a : 금속 분말 20b : 고분자 바인더
30 : 금속 분말 함유 조성물
40 : 반제품
50 : 강제품
100 : 혼련기
200 : 원료 공급기
300 : 3차원 프린터 310 : 압출 헤드
400 : 탈지기
500 : 소결로

Claims (10)

  1. 3차원 프린터의 압출 헤드로 공급되는 원료로 사용되고, 금속 분말과 고분자 바인더로 구성되는 금속 분말 함유 조성물로서,
    3차원 프린팅으로 성형되고 탈지되어 상기 고분자 바인더가 제거된 강(鋼)제품을 제조하기 위해, 상기 금속 분말은 90.0 ~ 94.0중량%, 상기 고분자 바인더는 6.0 ~ 10.0중량%를 포함하여 구성되고,
    90.0 ~ 94.0중량%의 상기 금속 분말과 6.0 ~ 10.0중량%의 상기 고분자 바인더가 혼련되고 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화(造粒化)되어 상기 3차원 프린터의 압출 헤드로 투입되는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 분말은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 분말인 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 고분자 바인더는 결합제, 가소제 및 윤활제로 구성되는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 고분자 바인더는, 상기 결합제가 3.0 ~ 5.0중량%, 상기 가소제가 2.5 ~ 3.5중량% 및 상기 윤활제가 0.5 ~ 1.5중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 결합제는 폴리에틸렌(Polyethylene) 공중합체인 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 가소제는 파라핀 왁스(Paraffin wax)인 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 윤활제는 스테아린산(Stearic acid)인 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 금속 분말과 상기 고분자 바인더가 170℃ 이상의 온도에서 혼련되어 제조되는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 금속 분말 함유 조성물.
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