KR102051265B1 - Apparatus for manufacturing amorphous metal using 3d printer and amorphous metal - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치 및 이에 제조되는 비정질 금속에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 레이저 빔의 조사로 시편에 생성된 용융 풀로 금속 분말을 공급하여 작은 부피의 금속 용융액을 생성하고, 이러한 금속 용융 액의 작은 부피에 의한 빠른 냉각 속도와 불활성 기체를 이용하여 금속 용융액을 급냉시킴으로써 비정질 금속을 제조하는 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치 및 이에 제조되는 비정질 금속에 관한 것이다. The present invention relates to an amorphous metal manufacturing apparatus using a three-dimensional metal printer and to an amorphous metal produced therein, and more particularly, to supply a metal powder to the molten pool generated in the specimen by irradiation of a laser beam to provide a small volume of the metal melt The present invention relates to an amorphous metal production apparatus using a three-dimensional metal printer that produces and produces an amorphous metal by rapidly cooling the metal melt using an inert gas and a rapid cooling rate due to the small volume of the metal melt, and the amorphous metal produced therefrom. .
Description
본 발명은 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치 및 이에 제조되는 비정질 금속에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 레이저 빔의 조사로 시편에 생성된 용융 풀로 불활성 기체를 이용하여 금속 분말을 공급하여 금속 용융액 생성하는 동시에 용융액의 매우 적은 부피와 낮은 온도의 불활성 기체의 적용에 의해 용융액을 급냉시킴으로써 비정질 금속을 제조하는 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치 및 이에 제조되는 비정질 금속에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for producing an amorphous metal using a three-dimensional metal printer and to an amorphous metal produced therein, and more particularly, to supply a metal powder using an inert gas to the molten pool generated in the specimen by irradiation of a laser beam An apparatus for producing an amorphous metal using a three-dimensional metal printer for producing an amorphous metal by quenching the melt by application of an inert gas of very low volume and low temperature of the melt and at the same time, and an amorphous metal produced therein.
레이저 직접 금속 조형기술(Laser-aided Direct Metal Manufacturing)은 컴퓨터에 저장되어 있는 3차원 형상모델의 기하학적 자료(Digital Data of 3D Subjects)로부터 바로 제품이 요구하는 기능성 소재(예로, 금속, 합금 또는 세라믹 등)를 사용하여 직접 3차원 형태의 제품 또는 제품 생산에 필요한 툴(tools)을 매우 빠른 시간 내에 제작할 수 있는 새로운 개념의 쾌속 조형기술(Rapid Near-net Shaping)로 정의되고, 기술상으로는 "직접 금속 툴링(Direct Metal Tooling)" 기술로 분류된다.Laser-aided Direct Metal Manufacturing technology provides the functional materials (eg, metals, alloys, ceramics, etc.) required by the product directly from the digital data of 3D Subjects stored in the computer. ) Is defined as Rapid Near-net Shaping, a new concept of rapid 3D-shaped products or the tools needed to produce products in a very short time. (Direct Metal Tooling) "technology.
상기 3차원 형상모델의 기하학적 자료는 3차원 CAD 데이터, 의료용 CT(Computer Tomography; 컴퓨터 단층 촬영) 및 MRI(Magnetic Resonance Imaging; 자기 공명 이미지법) 데이터, 그리고 3차원 스캐너(3D Object Digitizing System)로 측정된 디지털 데이터 등을 말하며, 툴은 다이(Die)나 몰드(Molds) 등의 제품생산에 필요한 시작 및 양산 금형을 의미한다.The geometric data of the three-dimensional shape model is measured by three-dimensional CAD data, medical computer tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) data, and a three-dimensional scanner (3D Object Digitizing System) The term “digital data” refers to the starting and mass-producing molds required for production of dies or molds.
이러한 기술은 CNC(Computerized Numerical Control; 컴퓨터 수치제어) 및 기타 가공기계를 이용한 절삭과 주조 등의 기존 가공방식과 비교할 수 없는 빠른 시일 내에 기능성 금속 시작품(Functional Metal Prototypes), 시작 및 양산 금형, 복잡한 형상의 최종제품 및 각종 툴을 쾌속 제작할 수 있고, 역공학(Reverse Engineering)을 이용한 금형의 회복(Restoration), 리모델링(Remodeling) 및 수정(Repairing)에도 적용 가능하다.These technologies include functional metal prototypes, start-up and production molds, and complex geometries incomparably with conventional machining methods such as cutting and casting using computerized numerical control (CNC) and other processing machines. It is possible to rapidly manufacture final products and various tools, and can be applied to restoration, remodeling and repairing of molds using reverse engineering.
CAD 데이터로부터 그 물리적 형상을 구현하는 기본 개념은 일반 프린터와 유사하다. 프린터가 컴퓨터에 저장되어 있는 문서 데이터 파일을 이용하여 2차원 종이 평면 위의 정확한 위치에 카본이나 잉크를 입혀 문서를 제작하듯이, 직접 금속 조형기술은 3차원 CAD 데이터를 이용하여 3차원 공간의 정확한 위치에 기능성 소재를 요구하는 양만큼 형성시킴으로써 3차원의 물리적 형상을 구현한다.The basic concept of implementing its physical shape from CAD data is similar to that of a normal printer. Just as a printer uses a document data file stored on a computer to produce a document by coating carbon or ink at the exact location on a two-dimensional paper plane, direct metal forming technology uses three-dimensional CAD data to create an accurate three-dimensional space. By forming the required amount of functional material at the location, a three-dimensional physical shape is realized.
즉, 레이저 직접 금속 조형기술을 이용하는 경우, 금속 소재를 이용하여 복잡한 3차원 형상 뿐만 아니라 얇은 판 형상까지 구현이 가능하다.That is, when using a laser direct metal molding technology, it is possible to implement not only a complicated three-dimensional shape but also a thin plate shape using a metal material.
한편, 비정질 금속은 결정형 금속 보다 높은 강성, 탄성, 내부식성 및 내모마성을 갖는 특징으로 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 이러한 비정질 금속은 용강에서 직접 핫코일을 제조하여 열간 압연공정을 생략하는 스트립 캐스팅(Strip Casting) 주조법을 통해 제조되고 있다. 하지만, 스트립 캐스팅 주조법으로 비정질 금속을 제조하기 위해서는 금속 용융액을 형성 조건에 맞춰 급냉시켜야하므로 벌크 형태 또는 판 형태의 비정질 금속을 제조하는 것이 불가능한 문제점이 있다.On the other hand, amorphous metals have higher rigidity, elasticity, corrosion resistance, and abrasion resistance than crystalline metals, and are being used in various industrial fields. Such amorphous metals are manufactured by strip casting, which manufactures hot coils directly from molten steel and omits a hot rolling process. However, in order to manufacture the amorphous metal by the strip casting casting method, it is impossible to manufacture the bulk metal or the plate-shaped amorphous metal since the metal melt must be quenched according to the forming conditions.
본 발명의 목적은, 3차원 CAD 데이터로부터 산출된 공구 경로(Tool Path)를 따라 조사되는 레이저 빔과 함께 금속 분말을 공급하여 금속 용융액을 생성하고, 레이저 빔이 다른 스팟으로 이동하면서 금속 용융액이 급랭되는 특성을 이용하고, 또한 낮은 온도의 불활성 기체에 의해 추가적으로 냉각함으로써 얇은 판 형태의 비정질 금속을 제조할 수 있는 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 방법 및 이에 제조되는 비정질 금속 판재를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to supply a metal powder with a laser beam irradiated along a tool path calculated from three-dimensional CAD data to generate a metal melt, and the metal melt is quenched while the laser beam moves to another spot. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an amorphous metal manufacturing method using a three-dimensional metal printer capable of producing an amorphous metal in the form of a thin plate by further cooling with an inert gas of low temperature, and an amorphous metal sheet produced therein.
또한, 본 발명의 목적은, DMT 방식의 3차원 금속 프린터의 특징을 이용하는 것으로, 레이저에 의해 작은 부피의 금속 용융 풀을 만들고 레이저가 주변 영역으로 이동할 때 금속 용융풀이 빠르게 냉각되고 저온의 불활성 기체에 의해 추가적으로 급랭되게 함으로써, 비정질 금속을 제조하는데 요구되는 높은 냉각 속도를 얻을 수 있는 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치 및 이에 제조되는 비정질 금속을 제공하고자 한다. It is also an object of the present invention to utilize the features of a three-dimensional metal printer of the DMT method, by which a small volume of metal molten pool is created by a laser and the metal molten pool is rapidly cooled and cooled to a low temperature inert gas when the laser moves to the surrounding area. By further quenching by means of the present invention, there is provided an amorphous metal manufacturing apparatus using a three-dimensional metal printer and an amorphous metal produced therein, which can obtain a high cooling rate required for producing an amorphous metal.
본 발명에 따른 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치는, 시편에 레이저 빔을 조사하여 용융 풀을 생성하는 레이저 조사부; 상기 생성된 용융 풀에 금속 분말을 공급하는 분말 공급부; 3차원 CAD 데이터로부터 산출된 공구 경로(Tool Path)데이터 및 상기 금속 분말이 용융된 금속 용융액의 두께가 기설정된 두께에 대응하여 상기 산출된 공구 경로를 따라 상기 레이저 조사부를 이동을 제어하는 제어부; 불활성 기체를 이용하여 상기 기 설정된 두께로 상기 공구 경로를 따라 용융된 금속 용융액을 상기 비정질 금속으로 급냉시키는 냉각부; 및 냉각수가 공급되고, ND필터를 이용하여 상기 용융 풀로부터 반사되어 입사되는 빛의 양을 감쇠하여 상기 금속 용융액의 이미지를 촬영하는 촬영부;를 포함하여 구성된다. An amorphous metal manufacturing apparatus using a three-dimensional metal printer according to the present invention, the laser irradiation unit for generating a molten pool by irradiating a laser beam on the specimen; A powder supply unit supplying metal powder to the generated melt pool; A control unit for controlling movement of the laser irradiation unit along the calculated tool path in response to a tool path data calculated from three-dimensional CAD data and a thickness of the metal melt in which the metal powder is molten; A cooling unit configured to quench the molten metal melt along the tool path to the amorphous metal using an inert gas at a predetermined thickness; And a photographing unit to which a coolant is supplied and attenuates the amount of light reflected from the molten pool by using an ND filter to capture an image of the metal melt.
상기 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치는, 상기 촬영된 이미지를 분석하여 상기 금속 용융액의 두께를 측정하는 이미지 분석부;를 더 포함할 수 있다. The amorphous metal manufacturing apparatus using the 3D metal printer may further include an image analyzer which analyzes the photographed image and measures the thickness of the metal melt.
상기 금속 분말은 Ni, Ce, La, Gd, Mg, Y, Sm, Zr, Fe, Ti, Co, Al, Cu, Mo, Sn, Nb 및 Si 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The metal powder may include one or more of Ni, Ce, La, Gd, Mg, Y, Sm, Zr, Fe, Ti, Co, Al, Cu, Mo, Sn, Nb, and Si.
상기 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치는, 상기 레이저 빔을 발진시키는 레이저 발진부; 및 상기 발진된 레이저 빔을 집광시키는 레이저 집광부;를 더 포함할 수 있다.An amorphous metal manufacturing apparatus using the three-dimensional metal printer, the laser oscillator for oscillating the laser beam; And a laser condenser for condensing the oscillated laser beam.
상기 레이저 조사부는 상기 집광된 레이저 빔을 상기 시편에 조사할 수 있다.The laser irradiator may irradiate the focused laser beam onto the specimen.
상기 제어부는, 상기 레이저 조사부가 상기 레이저 빔을 조사하는 과정에서 상기 레이저 빔의 초점 거리를 유지하도록 상기 레이저 조사부의 이동을 제어할 수 있다.The control unit may control the movement of the laser irradiation unit to maintain the focal length of the laser beam while the laser irradiation unit emits the laser beam.
상기 제어부는, 상기 레이저 조사부의 이동 속도에 대응하여 상기 분말 공급부로부터 공급되는 상기 금속 분말의 분사 속도를 제어할 수 있다. The control unit may control the injection speed of the metal powder supplied from the powder supply unit corresponding to the moving speed of the laser irradiation unit.
본 발명에 따른 비정질 금속은, 상기 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치로 제조될 수 있다.The amorphous metal according to the present invention may be manufactured by an amorphous metal manufacturing apparatus using the three-dimensional metal printer.
본 발명에 따른 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치는 3D CAD 데이터 및 기 설정된 두께에 대응하여 금속 용융액을 생성하고, 레이저의 조사에 의한 작은 용융 풀의 형성 및 냉각과 저온의 불활성기체에 의한 추가적인 냉각으로 금속 용융액을 급냉시켜 비정질 금속을 제조함으로써, 얇은 판 형태의 비정질 금속을 제조하는 것이 가능한 효과를 가진다.The amorphous metal manufacturing apparatus using the three-dimensional metal printer according to the present invention generates a metal melt in response to the 3D CAD data and the predetermined thickness, the formation and cooling of a small melt pool by irradiation of the laser and a low temperature inert gas By quenching the metal melt with additional cooling to produce the amorphous metal, it is possible to produce the amorphous metal in the form of a thin plate.
또한, 본 발명은 금속 용융액을 기 설정된 두께의 얇은 두께를 가지는 작응 용융 풀로 생성한 후에 저온의 불활성 기체를 이용하여 추가적인 냉각을 가하여 급냉시켜 비정질 금속을 제조함으로써, 비정질 금속 제조에 필요한 높은 냉각 속도를 얻음으로써 매우 용이하게 비정질 금속 판재를 제조할 수 있다는 효과를 가진다. In addition, the present invention is to produce the amorphous metal by quenching the molten molten pool having a thin thickness of a predetermined thickness by applying additional cooling using a low temperature inert gas, thereby producing a high cooling rate required for the production of amorphous metal This has the effect that an amorphous metal sheet can be produced very easily.
또한, 본 발명은 매우 높은 냉각 속도를 얻을 수 있게 함으로써 금속 분말의 종류를 다양하게 변경하여 비정질 금속을 제조할 수 있고 그 결과 다양한 조성을 갖는 비정질 금속을 제조할 수 있는 효과를 가진다.In addition, the present invention can obtain an extremely high cooling rate by variously changing the type of metal powder to produce an amorphous metal and as a result has the effect of producing an amorphous metal having a variety of compositions.
또한, 본 발명은 3차원 CAD 데이터로부터 산출된 공구 경로를 따라 금속 용융액을 생성하여 비정질 금속을 제조함으로써, 다양한 형태의 비정질 금속을 제조할 수 있는 효과를 가진다.In addition, the present invention has the effect of producing an amorphous metal by producing a metal melt by producing a metal melt along the tool path calculated from the three-dimensional CAD data.
또한, 본 발명에 따른 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치를 통해 제조되는 비정질 금속은 결정형 금속 대비 높은 강성, 탄성, 내부식성 및 내모마성을 갖는 효과를 가진다.In addition, the amorphous metal produced through the amorphous metal manufacturing apparatus using a three-dimensional metal printer according to the present invention has the effect of having a higher rigidity, elasticity, corrosion resistance and wear resistance compared to the crystalline metal.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치의 구성을 도시한 도면이다. 1 is a view showing the configuration of an amorphous metal manufacturing apparatus using a three-dimensional metal printer according to an embodiment of the present invention.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, the repeated description, well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, and detailed description of the configuration will be omitted. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, except to exclude other components unless specifically stated otherwise.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, the term "... unit" described in the specification means a unit for processing one or more functions or operations, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치(100)의 구성을 도시한 도면이다.1 is a view showing the configuration of an amorphous
도 1을 참조하면, 차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치(100)는 레이저 발진부(110), 레이저 집광부(120), 레이저 조사부(130), 분말 공급부(140), 촬영부(150), 이미지 분석부(160), 제어부(170) 및 냉각부(180)로 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 1에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.Referring to FIG. 1, an amorphous
레이저 발진부(110)는 후술되는 레이저 조사부(130)에서 조사되는 레이저 빔을 발진하는 역할을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 산업용 CO2 레이저인 것이 바람직하지만, Nd-YAG, 고출력 다이오드 레이저 등과 같이 레이저 빔의 조사로 인하여 시편(1)의 표면에 용융 풀(2)을 만들 수 있는 어떠한 파장의 레이저도 사용 가능함을 유의한다.The
레이저 발진부(110)로부터 발진된 레이저 빔은 레이저 집광부(120)로 전달되는데, Nd-YAG 등과 같은 레이저를 사용할 경우에는 광섬유(Optical Fiber)를 사용하여 레이저 빔을 전송할 수도 있다.The laser beam oscillated from the
레이저 집광부(120)는 렌즈나 미러(Mirror) 등의 광학부품을 조합하여 레이저 빔을 집광하는 역할을 수행할 수 있다.The
레이저 집광부(120)로부터 집광된 레이저 빔은 에너지 수치가 상승되어 레이저 조사부(130)로 전달되고, 레이저 조사부(130)는 집광된 레이저 빔을 하측에 위치한 시편(1)으로 조사하는 역할을 수행할 수 있다.The laser beam condensed from the
보다 구체적으로, 레이저 조사부(130)는 공구 경로(Tool Path)를 따라 이동하면서 레이저 빔을 조사할 수 있으며, 레이저 조사부(130)와 시편(1) 사이의 거리는 레이저 빔의 초점 거리에 대응하여 조절될 수 있다.More specifically, the
여기서, 공구 경로는 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치(100)가 제조하고자 하는 비정질 금속의 조형 정보를 포함하는 3차원 CAD 데이터로부터 산출될 수 있다.Here, the tool path may be calculated from the 3D CAD data including molding information of the amorphous metal to be manufactured by the amorphous
레이저 조사부(130) 주위에는 금속 분말(3)을 공급하기 위한 분말 공급부(140)가 장착될 수 있다.The
일 실시예에서, 분말 공급부(140)는 금속 분말(3)을 용융 풀(2)에 공급하는 원심형 분말 공급노즐(Concentric Powder-feeding Nozzle)일 수 있다.In one embodiment, the
한편, 금속 분말(3)은 분말형태가 바람직하지만, 와이어(Wire) 또는 막대(Rod) 또는 리본(Ribbon) 형태일 수도 있다.On the other hand, the
또한, 금속 분말(3)은 Ni, Ce, La, Gd, Mg, Y, Sm, Zr, Fe, Ti, Co, Al, Cu, Mo, Sn, Nb 및 Si 중 하나 이상을 포함할 수 있으나, 비정질 금속의 제조에 적합하다면 그 종류는 한정되지 않음을 유의한다.In addition, the
분말형태의 금속 분말(3)을 사용할 경우에 레이저 빔을 기준으로 분말공급 방향에 따라 측면 분말 공급방식(Lateral Powder-feeding)과 원심형 분말 공급방식(Concentric Powder-feeding)으로 구별된다.When the
원심형 분말 공급방식은 레이저 빔을 중심으로 모든 방향으로부터 균일하게 금속 분말(3)을 용융 풀(2)에 공급하기 때문에 공구 경로에 대한 제약이 없고, 레이저 직접 금속 조형기술에 적용하기에 적합할 수 있다.The centrifugal powder feeding method supplies
반면에, 상기 측면 분말 공급방식은 레이저 빔을 기준으로 측면의 어느 한 방향으로부터 금속 분말(3)을 용융 풀(2)에 공급하는 방법으로, 노즐의 설계방식에 따라 분말의 손실률을 최대 5%까지 줄일 수 있고, 1mm이상의 비교적 두터운 금속 용융액(4)을 생성하는데 적합하다. 그러나, 레이저 빔의 이송방향에 따라 금속 용융액(4)의 형태와 높이가 변화하는 이방성이 존재하기 때문에 조형과정에서 사용하는 공구 경로에 큰 제약을 받는다는 문제가 있다.On the other hand, the side powder supply method is a method of supplying the metal powder (3) to the molten pool (2) from any one side of the side with respect to the laser beam, the loss rate of the powder up to 5% according to the design method of the nozzle It can be reduced up to and suitable for producing a relatively thick metal melt 4 of 1 mm or more. However, since there is anisotropy in which the shape and height of the metal melt 4 change depending on the conveying direction of the laser beam, there is a problem that the tool path used in the molding process is greatly restricted.
촬영부(150)는 용융 풀(2)에 용융된 금속 용융액(4)의 이미지를 촬영하는 역할을 수행할 수 있다.The photographing
이를 위하여, 촬영부(150)는 ND 필터를 이용하여 용융 풀(2)로부터 반사되어 입사되는 빛의 양을 감쇠시키고, 레이저 빔과 금속 분말(3)이 반응하여 발생하는 스퍼터(Sputter)로부터 렌즈를 보호할 수 있다.To this end, the photographing
또한, 촬영부(150)는 용융 풀(2)로부터 방출되는 복사열로부터 ND 필터 및 렌즈의 손상을 방지하기 위하여 냉각수가 공급되는 냉각 라인을 포함할 수 있다.In addition, the photographing
촬영부(150)는 렌즈를 이용하여 금속 용융액(4)의 이미지를 CCD 센서로 전달할 수 있으며, 렌즈는 일반적인 카메라의 렌즈를 적용할 수도 있지만, 본 발명에서는 고열에 의한 왜곡현상을 최소화하기 위하여 고정 배율을 갖는 텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)를 사용할 수 있다.The photographing
또한, 촬영부(150)는 금속 용융액(4)의 이미지를 실시간으로 촬영 하기 위하여, 프로그레시브 스캔 모드(Progressive Scan Mode)에서 1초당 50프레임(Frames)의 이미지를 획득할 수 있는 고속의 흑백 CCD 센서를 사용할 수 있다. In addition, the photographing
촬영부(150)는 CCD 센서를 이용하여 금속 용융액(4)의 이미지를 매 20msec에 한 번씩 획득하고, 획득한 이미지를 이미지 분석부(160)에 전송할 수 있다.The photographing
이미지 분석부(160)는 이미지 프로세싱 기술을 이용하여 금속 용융액(4)의 물리적 위치 및 높이를 산출하며, 산출된 데이터를 실시간으로 제어부(170)로 전송하는 역할을 수행할 수 있다.The image analyzer 160 may calculate a physical position and height of the metal melt 4 using an image processing technique, and transmit the calculated data to the
이미지 분석부(160)는 이미지처리 전용 보드인 프레임 그래버(Frame Grabber)와 입출력장치가 설치된 퍼스널 컴퓨터(PC)로 구성될 수 있다.The image analyzer 160 may be configured of a frame grabber, which is an image processing board, and a personal computer (PC) having an input / output device.
제어부(170)는 금속 용융액(4)의 두께 및 3차원 CAD 데이터에 대응하여 레이저 조사부(130)의 이동을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.The
보다 구체적으로, 제어부(170)은 3차원 CAD 데이터로부터 레이저 조사부(130)가 이동해야 하는 공구 경로를 산출할 수 있다.More specifically, the
또한, 제어부(170)는 이미지 분석부(160)로부터 현재 용융 풀(2)에서 레이저 빔과 금속 분말(3)이 반응하여 생성되는 금속 용융액(4)의 두께를 실시간으로 수신하고, 수신된 금속 용융액(4)의 두께가 기 설정된 두께에 도달하는 경우, 상술된 공구 경로에 따라 레이저 조사부(130)를 이동시킬 수 있다.In addition, the
즉, 제어부(170)는 금속 용융액(4)이 공구 경로를 따라 기 설정된 두께로 생성되도록 레이저 조사부(130)의 이동을 제어할 수 있다.That is, the
이때, 기 설정된 두께는 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치(100)로부터 제조되는 비정질 금속(5)의 요구 두께일 수 있다.In this case, the predetermined thickness may be a required thickness of the
한편, 제어부(170)는 레이저 조사부(130)의 이동 속도에 대응하여 분말 공급부(140)로부터 공급되는 금속 분말(3)의 분사 속도를 제어하는 역할을 수행할 수 있다.The
이를 통해, 제어부(170)는 용융 풀(2)에서 레이저 빔과 반응하는 금속 분말(3)의 양을 제어할 수 있다.Through this, the
제어부(170)는 레이저 조사부(130)와 시편(1) 간에 거리를 레이저 빔의 초점 거리로 유지하기 위하여 레이저 조사부(130)의 높이를 제어하는 역할을 수행할 수 있다.The
냉각부(180)는 제어부(170)가 레이저 조사부(130)를 이동시킴에 따라 레이저 빔과 반응을 마친 금속 용융액(4)을 비정질 금속(5)으로 급냉시키는 역할을 수행할 수 있다.As the
보다 구체적으로, 냉각부(180)는 공구 경로를 따라 기 설정된 두께로 생성된 금속 용융액(4)을 비정질 금속(5)으로 제조하기 위하여, 저온의 불활성 기체를 이용하여 급냉시킬 수 있다.More specifically, the
이때, 냉각부(180)의 냉각 속도는 1000 내지 8000 ℃/sec일 수 있다.At this time, the cooling rate of the
일 실시예에서, 냉각부(180)는 Ar 가스를 이용하여 금속 용융액(4)을 급냉시킬 수 있으나, 금속 용융액(4)과 화학 반응을 일으키지 않고 비정질 금속(5)으로 급냉시킬 수 있느나 냉각부(180)에서 급냉을 위하여 사용되는 가스의 종류는 한정되지 않음을 유의한다.In one embodiment, the
이를 통해, 일 실시예에 따른, 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치(100)는, 3차원 CAD 데이터로부터 산출된 공구 경로를 따라 기 설정된 두께의 금속 용융액(4)을 생성하고, 생성된 금속 용융액(4)을 저온의 불활성 기체로 급냉시킴으로써, 종래의 방법과 비교했을 때 보다 용이한 방법으로 높은 냉각 속도를 얻을 수 있고 그 결과 얇은 판 형태의 비정질 금속(5)을 신속하게 제조할 수 있다.Through this, according to an embodiment, the amorphous
한편, 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치(100)로부터 제조되는 비정질 금속(5)의 형태는 3차원 CAD 데이터에 따라 변경 가능할 수 있다.Meanwhile, the shape of the
구체적으로, 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치(100)로부터 제조되는 비정질 금속(5)은 빠른 냉각 속도를 유지하기 위하여 넓은 판 형태인 것인 바람직하나 정육면체, 직육면체, 원기둥, 원뿔 및 사면체 등 다양한 형태일 수 있음을 유의한다.Specifically, the
또한, 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치(100)로부터 제조되는 비정질 금속(5)이 판 형태인 경우, 두께 및 넓이는 특별히 한정되지 않음을 유의한다.In addition, when the
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
100 : 3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치
110 : 레이저 발진부
120 : 레이저 집광부
130 : 레이저 조사부
140 : 분말 공급부
150 : 촬영부
160 : 이미지 분석부
170 : 제어부
180 : 냉각부 100: amorphous metal manufacturing apparatus using a three-dimensional metal printer
110: laser oscillation unit
120: laser condenser
130: laser irradiation unit
140: powder supply unit
150: the shooting unit
160: image analysis unit
170: control unit
180: cooling unit
Claims (7)
상기 생성된 용융 풀에 금속 분말을 공급하는 분말 공급부;
3차원 CAD 데이터로부터 산출된 공구 경로(Tool Path)데이터 및 상기 금속 분말이 용융된 금속 용융액의 두께가 기설정된 두께에 대응하여 상기 산출된 공구 경로를 따라 상기 레이저 조사부를 이동을 제어하는 제어부;
불활성 기체를 이용하여 상기 기 설정된 두께로 상기 공구 경로를 따라 용융된 금속 용융액을 비정질 금속으로 급냉시키는 냉각부; 및
냉각수가 공급되고, ND필터를 이용하여 상기 용융 풀로부터 반사되어 입사되는 빛의 양을 감쇠하여 상기 금속 용융액의 이미지를 촬영하는 촬영부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치.
A laser irradiation unit for generating a molten pool by irradiating a laser beam on the specimen;
A powder supply unit supplying metal powder to the generated melt pool;
A controller for controlling movement of the laser irradiation part along the calculated tool path in response to a tool path data calculated from three-dimensional CAD data and a thickness of the metal melt in which the metal powder is molten;
A cooling unit configured to quench the molten metal melt along the tool path to an amorphous metal using an inert gas at a predetermined thickness; And
And a photographing unit supplied with a coolant and photographing an image of the metal melt by attenuating an amount of light reflected from the molten pool and incident by using an ND filter.
Amorphous metal production apparatus using a three-dimensional metal printer.
상기 촬영된 이미지를 분석하여 상기 금속 용융액의 두께를 측정하는 이미지 분석부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치.
The method of claim 1,
Characterized in that it further comprises; an image analysis unit for measuring the thickness of the metal melt by analyzing the photographed image,
Amorphous metal production apparatus using a three-dimensional metal printer.
상기 금속 분말은 Ni, Ce, La, Gd, Mg, Y, Sm, Zr, Fe, Ti, Co, Al, Cu, Mo, Sn, Nb 및 Si 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치.
The method of claim 1,
The metal powder is characterized in that it comprises at least one of Ni, Ce, La, Gd, Mg, Y, Sm, Zr, Fe, Ti, Co, Al, Cu, Mo, Sn, Nb and Si,
Amorphous metal production apparatus using a three-dimensional metal printer.
상기 레이저 빔을 발진시키는 레이저 발진부; 및
상기 발진된 레이저 빔을 집광시키는 레이저 집광부;를 더 포함하고,
상기 레이저 조사부는,
상기 집광된 레이저 빔을 상기 시편에 조사하는 것을 특징으로 하는,
3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치.
The method of claim 1,
A laser oscillator for oscillating the laser beam; And
And a laser condenser for condensing the oscillated laser beam.
The laser irradiation unit,
It characterized in that for irradiating the specimen to the focused laser beam,
Amorphous metal production apparatus using a three-dimensional metal printer.
상기 제어부는,
상기 레이저 조사부가 상기 레이저 빔을 조사하는 과정에서 상기 레이저 빔의 초점 거리를 유지하도록 상기 레이저 조사부의 이동을 제어하는 것을 특징으로 하는,
3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치.
The method of claim 1,
The control unit,
Characterized in that the laser irradiation unit controls the movement of the laser irradiation unit to maintain the focal length of the laser beam in the process of irradiating the laser beam,
Amorphous metal production apparatus using a three-dimensional metal printer.
상기 제어부는,
상기 레이저 조사부의 이동 속도에 대응하여 상기 분말 공급부로부터 공급되는 상기 금속 분말의 분사 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는,
3차원 금속 프린터를 이용한 비정질 금속 제조 장치.
The method of claim 1,
The control unit,
It characterized in that for controlling the injection speed of the metal powder supplied from the powder supply unit corresponding to the moving speed of the laser irradiation unit,
Amorphous metal production apparatus using a three-dimensional metal printer.
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