KR102321854B1 - Metalic material for 3d printing high strength molding and 3d printing method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고강도 성형물을 제조하기 위한3D 프린팅용 금속소재 및 그러한 금속소재를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metal material for 3D printing for manufacturing a high-strength molding and a 3D printing method using such a metal material.
3D프린팅은 분말, 액체, 고체 형태의 소재를 3D프린터를 통해 분사 및 적층하여 3차원 형태의 입체물을 제작하는 기술이다. 이를 통하여, 구현하고자 하는 물체를 3차원 디지털 도면을 통해 가상의 물체로 디지털화한 후, 매우 얇은 단면(약 0.015~0.10mm)을 한 층씩 형상을 쌓아 결과물을 만들어 내게 된다. 이러한 이유로 3D 프린팅은 적층제조(Additive Manufacturing, AM)라고 불리기도 한다.3D printing is a technology that produces three-dimensional objects by spraying and laminating powder, liquid, and solid materials through a 3D printer. Through this, the object to be implemented is digitized into a virtual object through a three-dimensional digital drawing, and then a very thin section (about 0.015 to 0.10 mm) is stacked layer by layer to create a result. For this reason, 3D printing is also called additive manufacturing (AM).
3D 프린팅의 장점은 일반 제조공정에서 복잡한 과정을 거쳐야 생산이 가능한 모형이나 내부에 공간이 있는 구조 등의 제품을 한 번에 생산 가능하다는 것이다. 또한 도면을 그리지 않고, 3D 스캐너를 이용하거나 사진 촬영을 통해 획득한 이미지를 토대로 기계적인 방법을 이용하여 3D 도면을 만든 후 별도의 가공 없이 곧바로 3D 프린팅을 할 수 있다. 이미 산업계에서는 3D 프린터를 제조 과정에서 일부 활용하고 있으며, 최근에는 3D 프린팅의 맞춤형 다품종 소량 생산 과정을 적용하여 다양한 상품을 생산하여 판매하는 등, 3D 프린팅과 관련된 새로운 시장에 대한 기대 및 요구가 커지는 상황이다.The advantage of 3D printing is that it is possible to produce products such as models or structures with internal spaces that can be produced only through complex processes in the general manufacturing process at once. Also, without drawing a drawing, 3D printing can be performed immediately without additional processing after making a 3D drawing using a 3D scanner or using a mechanical method based on an image obtained through photography. The industry is already partially using 3D printers in the manufacturing process, and recently, the expectations and demands for a new market related to 3D printing are growing, such as producing and selling various products by applying the customized, multi-product, small-volume production process of 3D printing. am.
3D 프린팅을 위해 플라스틱 등 고분자 소재는 물론 금속 소재에 대해서도 최근 개발이 진행되고 있고, 이를 위하여, 다양한 시장에 적용 가능한 3D 프린팅용 고강도, 저융점 금속분말 소재에 대한 요구가 증가하고 있다. 특히, 생체 의료용으로는 비교적 가벼우면서도 고강도를 유지할 수 있는 3D 프린팅용 금속 소재에 요구가 크다.For 3D printing, metal materials as well as polymer materials such as plastics are being developed recently. In particular, there is a great demand for a metal material for 3D printing that is relatively light and can maintain high strength for biomedical use.
흔히, 생체의료용으로 인체에 삽입 가능한 금속 소재로 순수 티타늄(Ti)과 알루미늄(Al) 및 바나듐(V)이 각각 6% 및 4%가 첨가된 티타늄합금(Ti-6Al-4V)이 사용된다. 그러나 바나듐(V)은 대표적인 독성원소로 알려져 있으며, 알루미늄(Al)은 알츠하이머 질병을 유발시키는 주요 원인으로 알려져 있어 티타늄 합금 사용에 대한 문제가 수십 년 전부터 제기되어 왔다.Commonly, pure titanium (Ti), aluminum (Al), and a titanium alloy (Ti-6Al-4V) containing 6% and 4% of vanadium (V) are used as metal materials that can be inserted into the human body for biomedical purposes. However, vanadium (V) is known as a representative toxic element, and aluminum (Al) is known as a major cause of Alzheimer's disease, so the problem of using titanium alloy has been raised for decades.
이를 대체할 소재로써 다른 합금원소가 첨가되지 않은 순수한 티타늄(Ti)을 고려해볼 수 있다. 순수 티타늄은 생체접합성이 좋을 뿐 아니라, 내부식성이 우수하고 생체에 무해하며 인체에 사용하는 금속들 중 제일 가볍다는 장점이 있다. 하지만, 인장강도가 340~430MPa에 불과해 생체재료에 적합할 정도의 강도를 가지고 있지 못하고, 또한 상기 순수 티타늄은 주조가 어렵고 용접도 까다로워 다양한 형태로 제작할 경우 큰 어려움이 있다는 문제점이 있다.As an alternative material, pure titanium (Ti) without other alloying elements can be considered. Pure titanium has the advantages of not only good biocompatibility, but also excellent corrosion resistance, harmless to the living body, and the lightest among metals used in the human body. However, since the tensile strength is only 340 to 430 MPa, it does not have a strength suitable for biomaterials, and the pure titanium is difficult to cast and difficult to weld, so there is a problem that it is very difficult to manufacture in various forms.
이러한 금속소재의 강도를 강화시키는 방법으로 금속소재 제품 제조공정 이후에 강소성 가공, 고용체 강화, 결정립 미세화, 석출경화, 가공경화 등의 방법이 존재한다. 이러한 강도 강화방법은 격자 변형에 의해 전위의 이동이 억제되어 금속의 강도, 경도를 향상시키는 방법으로 알려져 있다.As a method of strengthening the strength of such a metal material, there are methods such as hard plastic processing, solid solution strengthening, crystal grain refinement, precipitation hardening, and work hardening after the metal material product manufacturing process. Such a strength strengthening method is known as a method of improving the strength and hardness of a metal by suppressing the movement of dislocations by lattice deformation.
관련 선행기술로는, 대한민국특허 공개번호 10-2015-0098142호(발명의 명칭: 금속분말이 함유된 FDM 방식의 3D 프린터용 복합필라멘트 조성물) 등이 있다. As a related prior art, there is Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0098142 (Title of the invention: composite filament composition for 3D printer of FDM method containing metal powder).
본 발명의 실시예는 서로 다른 소재를 포함하는 코어부 및 쉘부 형태의 금속입자를 소결 과정을 통해 성형물을 제작하며, 소결 과정에서 결정립 미세화 또는 석출경화를 유도하여 고강도의 성형물을 제작할 수 있는 3D 프린팅용 금속소재 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법을 제공한다. An embodiment of the present invention manufactures a molded product through a sintering process of metal particles in the form of a core part and a shell part containing different materials, and 3D printing that can produce a high-strength molded product by inducing crystal grain refinement or precipitation hardening during the sintering process A metal material for use and a 3D printing method using the same are provided.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problem(s) mentioned above, and another problem(s) not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법에서 상기 금속소재는 복수의 금속입자를 포함하고, 상기 복수의 금속입자는 제1금속을 포함하는 코어부 및 상기 코어부를 둘러싸며 제2금속을 포함하는 쉘부를 포함하며, 제1금속 및 제2금속은 이종 금속이고, 상기 복수의 금속입자를 혼합하는 단계; 제1금속의 용융온도인 제1융점과 제2금속의 용융온도인 제2융점보다 낮은 제3온도에서 상기 복수의 금속입자를 가열하는 단계; 상기 코어부와 상기 쉘부의 경계에서 상기 코어부의 제1금속 일부를 상기 쉘부로 확산시키는 단계; 상기 쉘부로 확산된 제1금속과 상기 쉘부에 포함된 제2금속의 소결을 위해 제4온도로 가열하는 단계; 및 인접한 상기 복수의 금속입자들에 포함되어 서로 맞닿아 있는 상기 쉘부들에 포함된 제2금속들이 결합하여 제2결정립이 형성되고, 상기 쉘부로 확산된 제1금속이 제2결정립의 결정립계(grain boundary)에 위치하여 제2금속들의 원자간 이동이 저해되어 제2결정립의 크기가 미세화되도록 소결하여 성형물로 적층하는 단계;를 포함할 수 있다. In the 3D printing method according to an embodiment of the present invention, the metal material includes a plurality of metal particles, and the plurality of metal particles includes a core portion including a first metal and a shell surrounding the core portion and including a second metal. comprising a part, wherein the first metal and the second metal are dissimilar metals, and mixing the plurality of metal particles; heating the plurality of metal particles at a third temperature lower than the first melting point, which is the melting temperature of the first metal, and the second melting point, which is the melting temperature of the second metal; diffusing a portion of the first metal of the core part into the shell part at a boundary between the core part and the shell part; heating to a fourth temperature for sintering the first metal diffused into the shell part and the second metal included in the shell part; and second metals included in the shell parts that are included in the plurality of adjacent metal particles and are in contact with each other to form a second crystal grain, and the first metal diffused into the shell part is a grain boundary of the second crystal grain. boundary) to inhibit interatomic movement of the second metals, so that the size of the second crystal grains is miniaturized and stacked into a molded product; may include.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법은 상기 코어부와 상기 쉘부의 경계에서 상기 코어부의 제1금속 일부를 상기 쉘부로 확산시키고, 상기 쉘부의 제2금속 일부를 상기 코어부로 확산시키는 단계; 상기 쉘부로 확산된 제1금속과 상기 쉘부에 포함된 제2금속의 소결 및 상기 코어부로 확산된 제2금속과 상기 코어부에 포함된 제1금속의 소결을 위해 제4온도로 가열하는 단계; 및 인접한 상기 복수의 금속입자들에 포함되어 서로 맞닿아 있는 상기 쉘부들에 포함된 제2금속들이 결합하여 제2결정립이 형성되고, 상기 쉘부로 확산된 제1금속이 제2결정립의 결정립계(grain boundary)에 위치하여 제2금속들의 원자간 이동이 저해되어 제2결정립의 크기가 미세화되고, 상기 복수의 금속입자들의 코어부 각각에 포함된 제1금속들이 결합하여 제1결정립이 형성되고, 상기 코어부로 확산된 제2금속이 제1결정립의 결정립계에 위치하여 제1금속들의 원자간 이동이 저해되어 제1결정립의 크기가 미세화되도록 소결하여 성형물로 적층하는 단계;를 포함할 수 있다.3D printing method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of diffusing a part of the first metal of the core part to the shell part at the boundary between the core part and the shell part, and diffusing a part of the second metal part of the shell part into the core part; heating to a fourth temperature for sintering the first metal diffused into the shell part and the second metal included in the shell part, and sintering the second metal diffused into the core part and the first metal included in the core part; and second metals included in the shell parts that are included in the plurality of adjacent metal particles and are in contact with each other to form a second crystal grain, and the first metal diffused into the shell part is a grain boundary of the second crystal grain. boundary), the interatomic movement of the second metals is inhibited, so that the size of the second crystal grains is miniaturized, and the first metals included in each of the core portions of the plurality of metal particles are combined to form a first crystal grain, and the It may include; sintering so that the second metal diffused into the core is located at the grain boundary of the first crystal grains, so that interatomic movement of the first metals is inhibited, so that the size of the first grains is miniaturized, and stacking the second metal into a molded product; may include.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법에서 상기 복수의 금속입자는 파우더(powder), 과립(pellet 또는 granular) 또는 필라멘트(filament) 형상의 금속입자를 포함할 수 있다.In the 3D printing method according to an embodiment of the present invention, the plurality of metal particles may include metal particles in the form of powder, pellet or granular, or filament.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법에서 상기 쉘부의 두께는 5㎚ 내지 500㎛일 수 있다. In the 3D printing method according to an embodiment of the present invention, the thickness of the shell part may be 5 nm to 500 μm.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법에서 상기 제1금속 및 제2금속은 각각 Ti, Sr, Sn, Pb, Mg, Ni, Au, Ag, Co, Mn, Cr, Fe, W, Al 또는 Cu 중 선택된 어느 하나 또는 2 이상의 합금을 포함하고, 제1금속 및 제2금속은 상이할 수 있다.In the 3D printing method according to an embodiment of the present invention, the first metal and the second metal are Ti, Sr, Sn, Pb, Mg, Ni, Au, Ag, Co, Mn, Cr, Fe, W, Al or Cu, respectively. Including any one or an alloy of two or more selected from, the first metal and the second metal may be different.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재는 복수의 금속입자를 포함하고, 상기 복수의 금속입자는 제1금속을 포함하는 코어부; 및 상기 코어부를 둘러싸며 제2금속을 포함하는 쉘부;를 포함하고, 제1금속 및 제2금속은 이종 금속이고, 상기 복수의 금속입자는 제1금속의 용융온도인 제1융점과 제2금속의 용융온도인 제2융점보다 낮은 제3온도에서 가열될 시, 상기 코어부와 상기 쉘부의 경계에서 상기 코어부의 제1금속 일부가 상기 쉘부로 확산되고, 상기 쉘부로 확산된 제1금속과 상기 쉘부에 포함된 제2금속의 소결을 위해 제4온도에서 가열될 시, 인접한 상기 복수의 금속입자들에 포함되어 서로 맞닿아 있는 상기 쉘부들에 포함된 제2금속들이 결합하여 제2결정립이 형성되고, 상기 쉘부로 확산된 제1금속이 제2결정립의 결정립계(grain boundary)에 위치하여 제2금속들의 원자간 이동이 저해되어 제2결정립의 크기가 미세화되어 소결될 수 있다.A metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention includes a core portion including a plurality of metal particles, wherein the plurality of metal particles include a first metal; and a shell part surrounding the core part and including a second metal, wherein the first metal and the second metal are dissimilar metals, and the plurality of metal particles have a first melting point and a second metal that is a melting temperature of the first metal. When heated at a third temperature lower than the second melting point, which is the melting temperature of When heated at a fourth temperature for sintering the second metal included in the shell part, the second metals included in the plurality of metal particles adjacent to each other and included in the shell parts contacting each other are combined to form second crystal grains and the first metal diffused into the shell portion is located at the grain boundary of the second crystal grains, so interatomic movement of the second metals is inhibited, so that the size of the second crystal grains may be miniaturized and sintered.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재는 제3온도로 가열될 시, 상기 코어부와 상기 쉘부의 경계에서 상기 쉘부의 제2금속 일부가 상기 코어부로 확산되고, 제4온도로 가열될 시, 상기 복수의 금속입자들의 코어부 각각에 포함된 제1금속들이 결합하여 제1결정립이 형성되고, 상기 코어부로 확산된 제2금속이 제1결정립의 결정립계에 위치하여 제1금속들의 원자간 이동이 저해되어 제1결정립의 크기가 미세화되도록 소결될 수 있다.When the metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention is heated to a third temperature, a portion of the second metal of the shell part is diffused into the core part at the boundary between the core part and the shell part, and is heated to a fourth temperature. At this time, the first metals included in each of the core portions of the plurality of metal particles are combined to form a first crystal grain, and the second metal diffused into the core portion is located at the grain boundary of the first crystal grains, so that between atoms of the first metals. Movement may be inhibited so that the size of the first crystal grains may be sintered to be miniaturized.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재에서 상기 복수의 금속입자는 파우더(powder), 과립(pellet 또는 granular) 또는 필라멘트(filament) 형상의 금속입자를 포함할 수 있다.In the metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention, the plurality of metal particles may include metal particles in the form of powder, pellet or granular, or filament.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재에서 상기 쉘부의 두께는 5㎚ 내지 500㎛일 수 있다.In the metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention, the thickness of the shell part may be 5 nm to 500 μm.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재에서 상기 제1금속 및 제2금속은 각각 Ti, Sr, Sn, Pb, Mg, Ni, Au, Ag, Co, Mn, Cr, Fe, W, Al 또는 Cu 중 선택된 어느 하나 또는 2 이상의 합금을 포함하고, 제1금속 및 제2금속은 상이할 수 있다.In the metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention, the first metal and the second metal are Ti, Sr, Sn, Pb, Mg, Ni, Au, Ag, Co, Mn, Cr, Fe, W, Al, respectively. Or it may include any one selected from Cu or an alloy of two or more, and the first metal and the second metal may be different.
본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 소재를 포함하는 코어부 및 쉘부 형태의 금속입자를 소결 과정을 통해 성형물을 제작하며, 소결 과정에서 원자간 이동을 제어하여 결정립 미세화를 유도하거나, 온도에 따른 용해도 차이를 이용한 석출경화를 유도하여 전위(dislocation)의 이동을 제한함으로써 강도 및 경도를 강화시킨 성형물을 제작할 수 있도록 한다.According to an embodiment of the present invention, a molded product is manufactured through a sintering process of metal particles in the form of a core part and a shell part containing different materials, and in the sintering process, interatomic movement is controlled to induce crystal grain refinement, or according to temperature By inducing precipitation hardening using the difference in solubility to limit the movement of dislocations, it is possible to manufacture moldings with enhanced strength and hardness.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재를 제3온도로 가열 시 변화하는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재를 제4온도로 가열 시 변화하는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법의 각 단계를 설명하기 위한 순서도이다.1 is a view schematically showing an example of a metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating a state that changes when a metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention is heated to a third temperature.
3 is a view schematically illustrating a state that changes when a metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention is heated to a fourth temperature.
4 and 5 are flowcharts for explaining each step of the 3D printing method according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and/or features of the present invention, and methods of achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing an example of a metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재는 복수의 금속입자를 포함한다. 도 1은 서로 접해 있는 2개의 금속입자의 일예를 도시한 도면이고, 하나의 금속입자에는 2개 이상의 다른 금속입자가 접할 수 있다. 금속입자는 중심의 코어부(11) 및 코어부(11)를 둘러싸는 쉘부(13)를 포함할 수 있다. 쉘부(13)는 코어부(11)를 중심으로 하여 진공증착법 또는 습식증착법을 통해 형성될 수 있다. 진공증착법은 원자층증착법(ALD), 화학적증착법(CVD) 또는 물리적증착법(PVD) 중 어느 하나의 방법으로 선택될 수 있다. 습식증착법은 분사(spray), 담금(dipping) 또는 퍼들(puddle) 중 어느 하나의 방법으로 선택될 수 있다.The metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention includes a plurality of metal particles. 1 is a view showing an example of two metal particles in contact with each other, one metal particle may be in contact with two or more different metal particles. The metal particles may include a
코어부(11)에 포함된 제1금속 및 쉘부(13)에 포함된 제2금속은 각각 Ti, Sr, Sn, Pb, Mg, Ni, Au, Ag, Co, Mn, Cr, Fe, W, Al 또는 Cu 중 선택된 어느 하나 또는 2 이상의 합금을 포함할 수 있다. 제1금속 및 제2금속은 상이할 수 있으며, 동일한 금속 및 합금을 포함하는 경우 상(phase)이나 결정성이 다를 수 있다.The first metal included in the
도 1은 구형의 금속입자를 예로 들어 도시하였으나 이에 한정되지 않고, 파우더(powder), 과립(pellet 또는 granular) 또는 필라멘트(filament) 형상으로 형성될 수 있다. 금속입자의 크기는 5㎚ 내지 1㎜일 수 있다. 쉘부(13)의 두께는 5㎚ 내지 500㎛일 수 있다.1 illustrates a spherical metal particle as an example, but is not limited thereto, and may be formed in the form of powder, granular (pellet or granular) or filament. The size of the metal particles may be 5 nm to 1 mm. The thickness of the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재를 제3온도로 가열 시 상태변화를 개략적으로 도시한 도면이다.2 is a diagram schematically illustrating a change in state when a metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention is heated to a third temperature.
도 2를 참조하면, 금속소재를 구성하는 금속입자는 코어부(11)에 포함된 제1금속의 용융온도인 제1융점과 쉘부(13)에 포함된 제2금속의 용융온도인 제2융점보다 낮은 제3온도에서 가열될 시, 코어부(11)와 쉘부(13)의 경계에서 코어부(11)에 포함된 제1금속 일부가 쉘부(13)로 확산(diffusion)될 수 있다. 제3온도는 일정한 온도일 수도 있지만 이에 한정되지 않고, 제1금속의 확산을 유발할 수 있다면 제1융점 및 제2융점보다 낮은 범위에서 가변적인 온도일 수도 있다. 제3온도로 가열하는 시간을 조절함으로써 제1금속의 일부가 쉘부(13)로 확산되어 나가는 양을 조절할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the metal particles constituting the metal material have a first melting point that is a melting temperature of the first metal included in the
도시하지는 않았지만 제3온도에서 가열될 시, 코어부(11)와 쉘부(13)의 경계에서 쉘부(13)에 포함된 제2금속 일부가 코어부(11)로 확산될 수도 있다. 또한, 제3온도는 일정한 온도일 수도 있지만 이에 한정되지 않고, 제2금속의 확산을 유발할 수 있다면 제1융점 및 제2융점보다 낮은 범위에서 가변적인 온도일 수도 있다. 제3온도로 가열하는 시간을 조절함으로써 코어부(11)로 확산되는 제2금속의 양을 조절할 수 있다.Although not shown, when heated at a third temperature, a portion of the second metal included in the
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅용 금속소재를 제4온도로 가열 시 변화하는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.3 is a diagram schematically illustrating a state that changes when a metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention is heated to a fourth temperature.
도 3을 참조하면, 제4온도로 가열하여 인접한 금속입자들에서 포함되어 서로 맞닿은 쉘부(13)를 소결(sintering)시킬 수 있다. 제4온도는 쉘부(13)로 확산된 제1금속의 용융온도인 제1융점과 쉘부(13)에 포함된 제2금속의 용융온도인 제2융점보다 낮은 온도일 수 있다. 제4온도로 가열하여 금속입자에 일정 에너지 이상이 공급되면, 인접한 복수의 금속입자들은 표면에너지를 감소시키기 위해 치밀화(densification) 및 조대화(coarsening) 과정을 통해 소결된다. Referring to FIG. 3 , by heating to a fourth temperature, the
일반적으로, 조대화 과정 중에 원자들의 표면확산(surface diffusion), 결정립계확산(grain boundary diffusion) 및 체확산(crystalline lattice diffusion)이 일어나게 되어 결정립(grain)의 성장이 일어난다. 구체적으로, 초기에는 표면확산을 통해 원자의 이동이 일어나고, 이를 통해 결정립간 넥(neck)이 형성되면 결정립계에서 원자의 확산이 일어난다. 이후 넥이 점점 커지고 두 입자는 결합되며, 결정립 내에서 원자의 확산이 일어나며 원자의 재배열과 함께 결정성이 향상되게 된다.In general, during the coarsening process, surface diffusion of atoms, grain boundary diffusion, and crystalline lattice diffusion occur, so that grain growth occurs. Specifically, initially, atoms move through surface diffusion, and when a neck between grains is formed through this, atom diffusion occurs at grain boundaries. Afterwards, the neck becomes larger and the two particles are combined, and diffusion of atoms occurs within the grains, and the crystallinity is improved along with the rearrangement of the atoms.
제4온도의 가열을 통해 인접한 금속입자들에 포함되고 서로 맞닿아 있는 쉘부(13)들에 포함된 제2금속은 치밀화 및 조대화 과정을 거치지만, 앞서 쉘부(13)로 확산된 제1금속이 제2금속들 사이에 흩어져 있어서 제2금속의 조대화 과정을 방해하게 된다. 구체적으로, 복수의 금속입자들의 쉘부 각각에 포함된 제2금속들이 결합하여 제2결정립이 형성되고, 쉘부로 확산된 제1금속이 제2결정립의 결정립계에 위치하여 제2금속들의 결정립계확산을 방해하여 제2결정립의 성장을 제한하여 미세화시킨다. 결정립의 크기가 미세화될수록 전위(dislocation)의 이동을 감소시켜 강도를 증대시킬 수 있다. 또한, 급냉 등을 통해 제2결정립의 결정립계에 위치한 제1금속들을 석출시켜 전위의 이동을 방해하는 석출경화를 유도함으로써 성형물의 강도를 증대시킬 수도 있다. 이러한 소결 과정을 3D 프린터의 노즐 또는 레이저 방사부를 통해 구현함으로써 미세 결정립 형성 및 석출경화에 따른 고강도 성형물 제조를 가능하게 한다. 제4온도는 일정한 온도일 수도 있지만 이에 한정되지 않고, 소결 과정을 유도할 수 있다면 가변적인 온도일 수도 있다.The second metal included in the adjacent metal particles and in the
도시하지는 않았지만, 제3온도의 가열에 의해 쉘부(13)로부터 코어부(11)로 확산된 제2금속과 코어부(11)에 포함된 제1금속을 제4온도로 가열하여 소결시킬 수도 있다. 이 경우, 코어부(11)에 포함된 제1금속으로 형성되는 제1결정립의 조대화 과정을 제2금속이 방해하는 경우로서, 제2금속이 제1결정립의 결정립계에 위치하여 제1금속의 원자 이동을 방해함으로써 소결과정에서 제1결정립의 크기를 미세화시킨다. 또한, 제1결정립의 결정립계에 위치하는 제2금속의 석출경화를 유도할 수도 있다. 이로써, 코어부(11)의 강도 또한 증대시킬 수 있다.Although not shown, the second metal diffused from the
제3온도 및 제4온도의 가열은 레이저를 이용한 용융 및 소결법(Selective laser sintering)을 이용할 수 있으나 이에 한정되지 않고, FDM(Fused Deposition Modeling) 방식, ME(material extrusion)법, MJ(material jetting)법, 고에너지 직접조사 방식(direct energy deposition, DED), 분말적층용융 방식(power bed fusion, PBF), 폴리젯 방식(polyjet) 또는 hot-melt 방식을 이용할 수 있다.The heating of the third temperature and the fourth temperature may use a laser melting and sintering method (Selective laser sintering), but is not limited thereto, and the FDM (Fused Deposition Modeling) method, ME (material extrusion) method, MJ (material jetting) method may be used. method, direct energy deposition (DED), power bed fusion (PBF), polyjet method, or hot-melt method may be used.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법의 각 단계를 설명하기 위한 순서도이다.4 and 5 are flowcharts for explaining each step of the 3D printing method according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 위해 금속소재를 마련하기 위해 복수의 금속입자를 혼합한다(S1). 금속입자는 제1금속을 포함하는 코어부 및 코어부를 둘러싸며 제2금속을 포함하는 쉘부를 포함한다. 혼합된 복수의 금속입자를 제1금속의 용융온도인 제1융점과 제2금속의 용융온도인 제2융점보다 낮은 제3온도에서 가열한다(S2). 제3온도로 가열하여 코어부와 쉘부의 경계에서 코어부의 제1금속 일부를 쉘부로 확산시킨다(S3). 쉘부로 확산된 제1금속과 쉘부에 포함된 제2금속의 소결을 위해 제4온도로 가열한다(S4). 인접한 상기 복수의 금속입자들에 포함되어 서로 맞닿아 있는 상기 쉘부들에 포함된 제2금속들이 결합하여 제2결정립이 형성되고, 상기 쉘부로 확산된 제1금속이 제2결정립의 결정립계(grain boundary)에 위치하여 제2금속들의 원자간 이동이 저해되어 제2결정립의 크기가 미세화되도록 소결하여 성형물로 적층시킨다(S5). 전술한 소결 과정을 통해 복수의 금속입자들을 결합시키고, 이 과정에서 형성되는 제2결정립의 크기를 미세화함으로써 고강도의 성형물을 제조할 수 있도록 한다.4, a plurality of metal particles are mixed to prepare a metal material for 3D printing according to an embodiment of the present invention (S1). The metal particles include a core portion including a first metal and a shell portion surrounding the core portion and including a second metal. The plurality of mixed metal particles are heated at a third temperature lower than the first melting point, which is the melting temperature of the first metal, and the second melting point, which is the melting temperature of the second metal (S2). By heating to a third temperature, a portion of the first metal of the core part is diffused into the shell part at the boundary between the core part and the shell part (S3). The first metal diffused into the shell part and the second metal included in the shell part are heated to a fourth temperature for sintering (S4). The second metals included in the plurality of adjacent metal particles and included in the shell parts contacting each other are combined to form a second crystal grain, and the first metal diffused into the shell part is a grain boundary between the second crystal grains. ), the interatomic movement of the second metals is inhibited, so that the size of the second crystal grains is sintered to be miniaturized and laminated into a molding (S5). By combining a plurality of metal particles through the above-described sintering process and refining the size of the second crystal grains formed in this process, a high-strength molding can be manufactured.
도 5를 참조하면, 도 4에 따른 S3 단계 내지 S5 단계 각각은, 코어부와 쉘부의 경계에서 코어부의 제1금속 일부를 쉘부로 확산시키고, 쉘부의 제2금속 일부를 코어부로 확산시키는 단계(S3), 쉘부로 확산된 제1금속과 쉘부에 포함된 제2금속의 소결 및 코어부로 확산된 제2금속과 코어부에 포함된 제1금속의 소결을 위해 제4온도로 가열하는 단계(S4) 및 인접한 상기 복수의 금속입자들에 포함되어 서로 맞닿아 있는 상기 쉘부들에 포함된 제2금속들이 결합하여 제2결정립이 형성되고, 쉘부로 확산된 제1금속이 제2결정립의 결정립계에 위치하여 제2금속들의 원자간 이동이 저해되어 제2결정립의 크기가 미세화되고, 복수의 금속입자들의 코어부 각각에 포함된 제1금속들이 결합하여 제1결정립이 형성되고, 코어부로 확산된 제2금속이 제1결정립의 결정립계에 위치하여 제1금속들의 원자간 이동이 저해되어 제1결정립의 크기가 미세화되도록 소결하여 성형물로 적층하는 단계(S5)일 수 있다.Referring to FIG. 5 , each of steps S3 to S5 according to FIG. 4 is a step of diffusing a part of the first metal of the core part into the shell part at the boundary between the core part and the shell part, and diffusing a part of the second metal part of the shell part into the core part ( S3), heating to a fourth temperature for sintering the first metal diffused into the shell part and the second metal included in the shell part, and sintering the second metal diffused into the core part and the first metal included in the core part (S4) ) and the second metals included in the shell parts that are included in the plurality of adjacent metal particles and are in contact with each other to form a second crystal grain, and the first metal diffused into the shell part is located at the grain boundary of the second crystal grain Thus, interatomic movement of the second metals is inhibited, so that the size of the second crystal grains is miniaturized, the first metals included in each of the core portions of the plurality of metal particles are combined to form a first crystal grain, and the second crystal grains are diffused into the core portion. It may be a step (S5) of sintering so that the metal is located at the grain boundary of the first crystal grains, so that interatomic movement of the first metals is inhibited, so that the size of the first crystal grains is miniaturized and stacked into a molding (S5).
이외에 구체적인 설명은 상기 3D 프린팅용 금속소재에 대한 실시예에 설명한 내용과 동일하므로 중복 설명은 생략한다.In addition, the detailed description is the same as that described in the embodiment of the metal material for 3D printing, and thus a redundant description will be omitted.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐만 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although specific embodiments according to the present invention have been described so far, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, although the present invention has been described with reference to the limited examples and drawings, the present invention is not limited to the above examples, which are various modifications and Transformation is possible. Accordingly, the spirit of the present invention should be understood only by the claims described below, and all equivalents or equivalent modifications thereof will fall within the scope of the spirit of the present invention.
11: 코어부
13: 쉘부
15: 소결부11: core
13: shell part
15: sintering unit
Claims (10)
상기 금속소재는 복수의 금속입자를 포함하고, 상기 복수의 금속입자는 제1금속을 포함하는 코어부 및 상기 코어부를 둘러싸며 제2금속을 포함하는 쉘부를 포함하며, 제1금속 및 제2금속은 이종 금속이고,
i) 상기 복수의 금속입자를 혼합하는 단계;
ii) 제1금속의 용융온도인 제1융점과 제2금속의 용융온도인 제2융점보다 낮은 제3온도에서 상기 복수의 금속입자를 가열하는 단계;
iii) 상기 코어부와 상기 쉘부의 경계에서 상기 코어부의 제1금속 일부를 상기 쉘부로 확산시키는 단계;
iv) 상기 쉘부로 확산된 제1금속과 상기 쉘부에 포함된 제2금속의 소결을 위해 제4온도로 가열하는 단계; 및
v) 인접한 상기 복수의 금속입자들에 포함되어 서로 맞닿아 있는 상기 쉘부들에 포함된 제2금속들이 결합하여 제2결정립이 형성되고, 상기 쉘부로 확산된 제1금속이 제2결정립의 결정립계(grain boundary)에 위치하여 제2금속들의 원자간 이동이 저해되어 제2결정립의 크기가 미세화되도록 소결하여 성형물로 적층하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속소재를 이용한 3D 프린팅 방법.
In the 3D printing method using a metal material,
The metal material includes a plurality of metal particles, and the plurality of metal particles includes a core portion including a first metal and a shell portion surrounding the core portion and including a second metal, the first metal and the second metal is a dissimilar metal,
i) mixing the plurality of metal particles;
ii) heating the plurality of metal particles at a third temperature lower than the first melting point, which is the melting temperature of the first metal, and the second melting point, which is the melting temperature of the second metal;
iii) diffusing a portion of the first metal of the core part into the shell part at the boundary between the core part and the shell part;
iv) heating to a fourth temperature for sintering the first metal diffused into the shell part and the second metal included in the shell part; and
v) The second metals included in the plurality of metal particles adjacent to each other are combined to form a second crystal grain, and the first metal diffused into the shell is the grain boundary of the second crystal grain ( 3D printing method using a metal material, comprising a; sintering so that the interatomic movement of the second metals is inhibited so that the size of the second crystal grains is miniaturized by being located at the grain boundary).
iii)단계 내지 v)단계는,
iii) 상기 코어부와 상기 쉘부의 경계에서 상기 코어부의 제1금속 일부를 상기 쉘부로 확산시키고, 상기 쉘부의 제2금속 일부를 상기 코어부로 확산시키는 단계;
iv) 상기 쉘부로 확산된 제1금속과 상기 쉘부에 포함된 제2금속의 소결 및 상기 코어부로 확산된 제2금속과 상기 코어부에 포함된 제1금속의 소결을 위해 제4온도로 가열하는 단계; 및
v) 인접한 상기 복수의 금속입자들에 포함되어 서로 맞닿아 있는 상기 쉘부들에 포함된 제2금속들이 결합하여 제2결정립이 형성되고, 상기 쉘부로 확산된 제1금속이 제2결정립의 결정립계(grain boundary)에 위치하여 제2금속들의 원자간 이동이 저해되어 제2결정립의 크기가 미세화되고, 상기 복수의 금속입자들의 코어부 각각에 포함된 제1금속들이 결합하여 제1결정립이 형성되고, 상기 코어부로 확산된 제2금속이 제1결정립의 결정립계에 위치하여 제1금속들의 원자간 이동이 저해되어 제1결정립의 크기가 미세화되도록 소결하여 성형물로 적층하는 단계;인 것을 특징으로 하는 금속소재를 이용한 3D 프린팅 방법.
According to claim 1,
Steps iii) to v) are,
iii) diffusing a portion of the first metal of the core portion into the shell portion at a boundary between the core portion and the shell portion, and diffusing a portion of the second metal portion of the shell portion into the core portion;
iv) heating to a fourth temperature for sintering the first metal diffused into the shell part and the second metal included in the shell part, and sintering the second metal diffused into the core part and the first metal included in the core part step; and
v) The second metals included in the plurality of metal particles adjacent to each other are combined to form a second crystal grain, and the first metal diffused into the shell is the grain boundary of the second crystal grain ( grain boundary), the interatomic movement of the second metals is inhibited, so that the size of the second crystal grains is miniaturized, and the first metals included in each of the core portions of the plurality of metal particles are combined to form a first crystal grain, The step of sintering so that the second metal diffused into the core portion is located at the grain boundary of the first crystal grains, the interatomic movement of the first metals is inhibited, so that the size of the first crystal grains is miniaturized, and stacking them into a molding; a metal material, characterized in that 3D printing method using
상기 복수의 금속입자는 파우더(powder), 과립(pellet 또는 granular) 또는 필라멘트(filament) 형상의 금속입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속소재를 이용한 3D 프린팅 방법.
According to claim 1,
The plurality of metal particles is a 3D printing method using a metal material, characterized in that it comprises metal particles in the form of powder, granular (pellet or granular) or filament (filament).
상기 쉘부의 두께는 5㎚ 내지 500㎛ 인 것을 특징으로 하는 금속소재를 이용한 3D 프린팅 방법.
According to claim 1,
3D printing method using a metal material, characterized in that the thickness of the shell portion is 5nm to 500㎛.
상기 제1금속 및 제2금속은 각각 Ti, Sr, Sn, Pb, Mg, Ni, Au, Ag, Co, Mn, Cr, Fe, W, Al 또는 Cu 중 선택된 어느 하나 또는 2 이상의 합금을 포함하고, 제1금속 및 제2금속은 상이한 것을 특징으로 하는 금속소재를 이용한 3D 프린팅 방법.
According to claim 1,
Each of the first metal and the second metal includes any one or an alloy selected from among Ti, Sr, Sn, Pb, Mg, Ni, Au, Ag, Co, Mn, Cr, Fe, W, Al or Cu, and , A 3D printing method using a metal material, characterized in that the first metal and the second metal are different.
상기 금속소재는 복수의 금속입자를 포함하고,
상기 복수의 금속입자는 제1금속을 포함하는 코어부; 및 상기 코어부를 둘러싸며 제2금속을 포함하는 쉘부;를 포함하고, 제1금속 및 제2금속은 이종 금속이고,
상기 복수의 금속입자는 제1금속의 용융온도인 제1융점과 제2금속의 용융온도인 제2융점보다 낮은 제3온도에서 가열될 시, 상기 코어부와 상기 쉘부의 경계에서 상기 코어부의 제1금속 일부가 상기 쉘부로 확산되고,
상기 쉘부로 확산된 제1금속과 상기 쉘부에 포함된 제2금속의 소결을 위해 제4온도에서 가열될 시, 인접한 상기 복수의 금속입자들에 포함되어 서로 맞닿아 있는 상기 쉘부들에 포함된 제2금속들이 결합하여 제2결정립이 형성되고, 상기 쉘부로 확산된 제1금속이 제2결정립의 결정립계(grain boundary)에 위치하여 제2금속들의 원자간 이동이 저해되어 제2결정립의 크기가 미세화되어 소결되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 금속소재.
In the metal material for 3D printing,
The metal material includes a plurality of metal particles,
The plurality of metal particles may include a core portion including a first metal; and a shell part surrounding the core part and including a second metal, wherein the first metal and the second metal are dissimilar metals,
When the plurality of metal particles are heated at a third temperature lower than the first melting point, which is the melting temperature of the first metal, and the second melting point, which is the melting temperature of the second metal, the core part is formed at the boundary between the core part and the shell part. 1 A part of the metal is diffused into the shell part,
When heated at a fourth temperature for sintering the first metal diffused into the shell part and the second metal included in the shell part, the second metal included in the plurality of adjacent metal particles and included in the shell parts in contact with each other The two metals combine to form a second crystal grain, and the first metal diffused into the shell part is located at the grain boundary of the second crystal grain, so interatomic movement of the second metal is inhibited, and the size of the second crystal grain is miniaturized Metal material for 3D printing, characterized in that it is sintered.
제3온도로 가열될 시, 상기 코어부와 상기 쉘부의 경계에서 상기 쉘부의 제2금속 일부가 상기 코어부로 확산되고,
제4온도로 가열될 시, 상기 복수의 금속입자들의 코어부 각각에 포함된 제1금속들이 결합하여 제1결정립이 형성되고, 상기 코어부로 확산된 제2금속이 제1결정립의 결정립계에 위치하여 제1금속들의 원자간 이동이 저해되어 제1결정립의 크기가 미세화되도록 소결되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 금속소재.
7. The method of claim 6,
When heated to a third temperature, a portion of the second metal of the shell part is diffused into the core part at the boundary between the core part and the shell part,
When heated to the fourth temperature, the first metals included in each of the core portions of the plurality of metal particles are combined to form a first crystal grain, and the second metal diffused into the core portion is located at the grain boundary of the first crystal grains. A metal material for 3D printing, characterized in that the first metals are sintered to reduce the size of the first crystal grains by inhibiting interatomic movement.
상기 복수의 금속입자는 파우더(powder), 과립(pellet 또는 granular) 또는 필라멘트(filament) 형상의 금속입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 금속소재.
7. The method of claim 6,
The plurality of metal particles is a metal material for 3D printing, characterized in that it comprises metal particles in the form of powder, granular (pellet or granular) or filament (filament).
상기 쉘부의 두께는 5㎚ 내지 500㎛ 인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 금속소재.
7. The method of claim 6,
A metal material for 3D printing, characterized in that the shell portion has a thickness of 5 nm to 500 μm.
상기 제1금속 및 제2금속은 각각 Ti, Sr, Sn, Pb, Mg, Ni, Au, Ag, Co, Mn, Cr, Fe, W, Al 또는 Cu 중 선택된 어느 하나 또는 2 이상의 합금을 포함하고, 제1금속 및 제2금속은 상이한 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 금속소재.7. The method of claim 6,
Each of the first metal and the second metal includes any one or an alloy selected from among Ti, Sr, Sn, Pb, Mg, Ni, Au, Ag, Co, Mn, Cr, Fe, W, Al or Cu, and , A metal material for 3D printing, characterized in that the first metal and the second metal are different.
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