KR102410113B1 - 고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법 - Google Patents

고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102410113B1
KR102410113B1 KR1020210041716A KR20210041716A KR102410113B1 KR 102410113 B1 KR102410113 B1 KR 102410113B1 KR 1020210041716 A KR1020210041716 A KR 1020210041716A KR 20210041716 A KR20210041716 A KR 20210041716A KR 102410113 B1 KR102410113 B1 KR 102410113B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
nozzle
pressure gas
pressure
metal powder
Prior art date
Application number
KR1020210041716A
Other languages
English (en)
Inventor
박요설
박현종
Original Assignee
박요설
박현종
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 박요설, 박현종 filed Critical 박요설
Priority to KR1020210041716A priority Critical patent/KR102410113B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102410113B1 publication Critical patent/KR102410113B1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • 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
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F2009/0804—Dispersion in or on liquid, other than with sieves
    • B22F2009/0812—Pulverisation with a moving liquid coolant stream, by centrifugally rotating stream
    • 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
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • B22F2009/0848—Melting process before atomisation
    • 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
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • B22F2009/086—Cooling after atomisation
    • B22F2009/0876—Cooling after atomisation by gas
    • 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
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • B22F2009/088—Fluid nozzles, e.g. angle, distance

Abstract

본 발명은 포집챔버의 내측벽 상부에 설치되어 가스분무부에 의해 분화된 액적으로 고압가스를 분사시키는 제2 노즐들을 포함함으로써 제2 노즐들에 의한 고압가스로 인해 포집챔버의 내부 공간의 압력분포차가 제거됨에 따라 종래에 극미세분말이 저압존(S2)으로 이동한 후 낙하하여 위성분말(Satellite powder)을 발생시키는 현상을 획기적으로 절감시킬 수 있고, 이에 따라 높은 구형도 및 유동도의 금속분말 제조가 가능할 뿐만 아니라 표면의 균일성을 높여 품질, 분말수율 및 내구성을 현저히 개선시킬 수 있으며, 각 공정별 종래의 좁은 입도 분포를 확장시켜 금속 소재의 제작 비용을 절감시킬 수 있고, 제1 노즐로부터 분사되는 고압가스의 압력 및 유량을 ‘5 ~ 50 kgf/cm2’ 및 ‘15 ~ 30m3/min’으로 한정함과 동시에 제2 노즐로부터 분사되는 고압가스(Gb)의 유량과 제1 노즐로부터 분사되는 고압가스(Ga)의 유량의 비율인 투입비율(R, R=Gb/Ga)을 0.3 ~ 2.0으로 한정하는 최적의 공정조건을 제공함으로써 위성분말 발생율을 더욱 절감시켜 유동도를 개선시킬 수 있는 고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법{Metal power manufacturing apparatus and method for high-quality additve manufacturing}
본 발명은 고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게로는 포집챔버의 저압존(S2)으로 제2 고압가스를 분사시켜 포집챔버 내의 압력분포차를 제거하여 위성분말(Satellite powder)의 생성을 획기적으로 절감시킴으로써 높은 구형도 및 유동도의 금속분말 제조가 가능할 뿐만 아니라 표면의 균일성을 높여 품질, 분말수율 및 내구성을 현저히 개선시킬 수 있으며, 각 공정별 종래의 좁은 입도 분포를 확장시켜 금속 소재의 제작 비용을 절감시킬 수 있는 고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
3D 프린팅 기술은 입력된 3D모델에 따라 파우더 베드위에 최하위 레이어의 단면을 프린팅 하고, 프린팅 된 단면 위에 다시 일정량의 분말을 적층시키는 적층가공(Additive manufacturing) 방식으로 레이어의 단면을 프린팅 함으로써 조형물을 가공하는 기술을 의미하고, 이러한 3D 프린팅 기술은 제작비용 및 시간 절감, 다품종 소량 생산, 개인 맞춤형 제작 용이, 세밀한 구현 가능, 재료비 절감, 공정 간소화 등의 다양한 장점으로 인해 보급률이 기하급수적으로 증가하고 있으며, 최근 4차 산업시대의 정부의 적극적인 육성책과 더불어 장비 가격 하락, 성형 크기 증대, 소재 다양화 등의 장점으로 인해 일반 산업계로의 적용 범위를 넓혀가고 있는 추세이다.
이러한 금속 3D 프린팅 기술의 대표적인 방식으로는 PBF(Powder Bed Fusion)와 DED(Direct Energy Deposition)가 널리 알려져 있고, 최근에는 MIM(Metal Injection Molding)과 플라스틱의 FDM(Fused Deposition Modeling) 기술을 접목한 FDMM(Fused Deposition Metal Modeling) 방식이 개발되어 시장을 확대되고 있다.
한편, 금속 AM(Additive Manufacturing) 분야는 기계부품이나, 금형소재용 STS계열, 생체재료용 Co-Cr 및 Ti/Ti 합금 계열, 우주항공용 Ni계 초내열합금 및 Ti/Ti 합금 계열, 에너지 열교환기 분야의 Cu 합금계열 분야로 구분할 수 있고, 생체재료나, 우주항공용 소재는 생체친화성이나, 고온, 장시간 신뢰성 특성을 요구하므로 고순도(High Purity) 및 저산소(Low Oxygen)가 필수적으로 요구된다.
이러한 적층제조용 금속분말의 제조 방법으로는 고진공분사(High Vacuum Atomization) 공정과, 불순물과의 반응성을 억제하는 EIGA(Electrode Induction Gas Atomization) 공정과, Skull Melt 양산 분사법, 가스분사법(Gas Atomization) 등이 사용되고 있다.
특히 가스분사법(Gas Atomization)은 원소재로부터 불활성 가스(N2, Ar, He)의 분무를 통한 급속응고 원리를 이용하여 미세한 금속 분말을 제조하는 공법으로서, 산화 및 불순물 혼입문제가 적어 고품질 분말제조가 가능할 뿐만 아니라 분무 시 비활성 가스의 사용을 통한 제조 분말의 표면 품질 제어에 용이하며, 높은 구형도와 높은 입도 균일성의 금속분말 제조가 가능한 장점으로 인해 3D 프린팅용 금속분말의 제조방법으로 가장 널리 활용되고 있다.
그러나 이러한 가스분사법은 고압가스에 의해 액적의 분화가 이루어지면 액체상태의 분말이 하부로 낙하하면서 냉각응고 과정을 거치게 되는데, 이 과정 중 부유 미세분진층의 분진과 결합하여 수많은 위성분말이 생성되고, 이러한 위성분말은 금속분말의 불균일한 표면과 산화도에 의한 품질저하, 유동도 저하, 분말수율 저하, 내구성저하, 구형도 저하 등의 다양한 품질문제를 야기한다.
도 1은 종래의 가스분사장치에서 위성분말이 생성되는 과정을 설명하기 위한 예시도이고, 도 2는 도 1의 극미세분말의 움직임을 나타내는 예시도이고, 도 3은 종래의 가스분사 공정 중 발생하는 위성분말을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1의 종래의 가스분사장치(100)는 원료금속 용탕이 수용되어 하부로 용탕을 낙하시키는 도가니부(110)와, 환형으로 형성되어 도가니부(110)로부터 낙하하는 용탕으로 고압가스를 분사시켜 액적을 급냉-응고시키는 가스노즐(121)을 포함하는 분사부(120)와, 가스노즐(121)에 의해 급내응고된 액적을 포집하는 포집챔버(130)로 이루어진다.
이때 포집챔버(130)의 내부 공간에는 압력 분포차가 발생하며, 상세하게로는 포집챔버(130)의 내부 공간 중, 노즐부(120)의 직하부의 공간에는 고압존(131)이 형성되고, 고압존(130)의 외측 공간에는 저압존(132)이 형성되게 된다.
이에 따라 고압가스에 의해 분화된 액적은 도 2에 도시된 바와 같이, 조대분말(Coarse power)은 중력 및 블로워(blower)에 의한 기류를 따라 낙하하게 되나, 극미세분말(Fine power)은 저압존(132)으로 이송된 후 기류를 따라 낙하하게 된다.
이때 조대분말(910)은 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각상태에 따라 액체 또는 고체 상태를 형성하게 되고, 액체 또는 고체 상태에서 낙하하는 도중 외면에 극미세분말(920)이 응집하여 위성분말(930)이 생성되게 된다.
즉 금속분말의 품질을 좌우하는 위성분말을 제거하기 위해서는, 액적 분화로 인해 생성된 극미세분말이 저압존(132)으로 이동하지 않고, 곧바로 고압존(131)을 통과하여 낙하하도록 하는 연구가 시급한 실정이나, 아직 종래에는 극미세분말의 이동경로를 단순화하기 위한 연구가 미흡한 실정이다.
국내공개특허 제10-2016-0048262호(발명의 명칭 : 가스 분무와 회전디스크를 이용한 구형 금속분말 제조장치 및 이를 이용한 구형 금속분말의 제조방법)에는 회전판을 이용하여 가스분무에 의해 1차 분쇄된 분말을 1차 분쇄시킴으로써 위성분말을 물리적으로 제거하여 양질의 구형 미립자 금속 분말을 생산할 수 있는 구형 금속분말 제조장치가 개시되어 있으나, 상기 구형 금속분말 제조장치는 가이드통의 내부에 압력분포차(고압존 및 저압존)가 형성되어 극미세분말 및 조대분말의 응집에 대한 본연의 해결책이 될 수 없고, 단순히 이미 응집되어 낙하된 위성분말을 회전판을 통하여 물리적으로 제거하는 것이기 때문에 위성분말 제거율이 현저히 떨어져 실제 공정에 적용할 수 없는 문제점을 갖는다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 포집챔버의 내측벽 상부에 설치되어 가스분무부에 의해 분화된 액적으로 고압가스를 분사시키는 제2 노즐들을 포함함으로써 제2 노즐들에 의한 고압가스로 인해 포집챔버의 내부 공간의 압력분포차가 제거됨에 따라 종래에 극미세분말이 저압존(S2)으로 이동한 후 낙하하여 위성분말(Satellite powder)을 발생시키는 현상을 획기적으로 절감시킬 수 있고, 이에 따라 높은 구형도 및 유동도의 금속분말 제조가 가능할 뿐만 아니라 표면의 균일성을 높여 품질, 분말수율 및 내구성을 현저히 개선시킬 수 있으며, 각 공정별 종래의 좁은 입도 분포를 확장시켜 금속 소재의 제작 비용을 절감시킬 수 있는 고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결과제는 제1 노즐로부터 분사되는 고압가스의 압력 및 유량을 ‘5 ~ 50 kgf/cm2’ 및 ‘15 ~ 30m3/min’으로 한정함과 동시에 제2 노즐로부터 분사되는 고압가스(Gb)의 유량과 제1 노즐로부터 분사되는 고압가스(Ga)의 유량의 비율인 투입비율(R, R=Gb/Ga)을 0.3 ~ 2.0으로 한정하는 최적의 공정조건을 제공함으로써 위성분말 발생율을 더욱 절감시켜 유동도를 개선시킬 수 있는 고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 원료금속의 잉곳(ingot)이 장입되는 도가니와, 상기 도가니의 잉곳을 용융시키는 발열수단과, 상기 도가니의 하부에 설치되어 용융된 용탕을 액적상태로 낙하시키는 턴디쉬를 포함하는 용융부;
상기 용융부의 하부에 설치되며, 상기 용융부로부터 낙하하여 중앙의 분사공을 통과하는 액적으로 고압가스를 분사시켜 액적을 분화시키는 제1 노즐을 포함하는 가스분무부; 내부 공간(S)으로 상기 가스분무부에 의해 분화된 액적이 낙하되는 포집챔버; 상기 포집챔버의 내측벽의 상부에 설치되며, 상기 가스분무부에 의해 분화된 액적이 상기 포집챔버로 유입될 때, 유입된 액적으로 고압가스를 분사하는 제2 노즐들을 포함하고, 상기 제2 노즐들은 상기 포집챔버의 상단부와 인접한 내측벽에 원호를 따라 간격을 두고 설치되며, 평면상으로 바라보았을 때, 상기 포집챔버의 중앙을 향하되, 측면상으로 바라보았을 때, 지면과 평행한 방향으로 고압가스(Gn)를 분사하는 것이다.
또한 본 발명에서 상기 적층제조용 금속 분말 제조 장치는 상기 제2 노즐들로부터 분사되는 분사가스(Gs)의 유량과 상기 제1 노즐로부터 분사되는 고압가스(Ga)의 유량의 비율인 투입비율(R, R=Gs/Ga)이 0.3 ~ 2.0인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 적층제조용 금속분말 제조장치는 투입비율(R)이 0.3 ~ 2.0로 구현되도록, 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐들로 고압가스를 공급하는 고압가스 공급장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 적층제조용 금속분말 제조장치는 상기 제1 노즐로 고압가스를 공급하는 고압가스 공급장치; 상기 포집챔버로부터 배출된 가스를 냉각 및 필터링 한 후, 상기 제2 노즐들로 공급하는 가스 리사이클링 시스템을 더 포함하고, 상기 고압가스 공급장치 및 상기 가스 리사이클링 시스템은 투입비율(R)이 0.3 ~ 2.0으로 구현되도록, 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐들로 공급되는 가스의 유량을 제어하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 적층제조용 금속분말 제조장치는 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐들로 고압가스를 공급하는 고압가스 공급장치; 상기 포집챔버로부터 배출된 가스를 냉각 및 필터링 한 후, 상기 제2 노즐들로 공급하는 가스 리사이클링 시스템을 더 포함하고, 상기 고압가스 공급장치 및 상기 가스 리사이클링 시스템은 투입비율(R)이 0.3 ~ 2.0으로 구현되도록, 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐들로 공급되는 가스의 유량을 제어하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 제1 노즐은 ‘5 ~ 50 kgf/cm2’의 압력과 ‘15 ~ 30m3/min’의 유량으로 고압가스를 분사하는 것이 바람직하다.
상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 포집챔버의 내측벽 상부에 설치되어 가스분무부에 의해 분화된 액적으로 고압가스를 분사시키는 제2 노즐을 포함함으로써 제2 노즐들에 의한 고압가스로 인해 포집챔버의 내부 공간의 압력분포차가 제거됨에 따라 종래에 극미세분말이 저압존(S2)으로 이동한 후 낙하하여 위성분말(Satellite powder)을 발생시키는 현상을 획기적으로 절감시킬 수 있고, 이에 따라 높은 구형도 및 유동도의 금속분말 제조가 가능할 뿐만 아니라 표면의 균일성을 높여 품질, 분말수율 및 내구성을 현저히 개선시킬 수 있으며, 각 공정별 종래의 좁은 입도 분포를 확장시켜 금속 소재의 제작 비용을 절감시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 제1 노즐로부터 분사되는 고압가스의 압력 및 유량을 ‘5 ~ 50 kgf/cm2’ 및 ‘15 ~ 30m3/min’으로 한정함과 동시에 제2 노즐로부터 분사되는 고압가스(Gb)의 유량과 제1 노즐로부터 분사되는 고압가스(Ga)의 유량의 비율인 투입비율(R, R=Gb/Ga)을 0.3 ~ 2.0으로 한정하는 최적의 공정조건을 제공함으로써 위성분말 발생율을 더욱 절감시켜 유동도를 개선시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래의 가스분사장치에서 위성분말이 생성되는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 도 1의 극미세분말의 움직임을 나타내는 예시도이다.
도 3은 종래의 가스분사 공정 중 발생하는 위성분말을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 적층제조용 금속분말 제조 장치를 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예인 제2 적층제조용 금속분말 제조 장치를 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예인 제3 적층제조용 금속분말 제조 장치를 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예인 적층제조용 금속분말 제조 장치에 의해 제되는 적층제조용 금속분말 제조 방법을 나타내는 공정순서도이다.
도 8은 실시예4 및 비교예1에 의해 제조되는 금속분말을 나타내는 SEM 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 적층제조용 금속분말 제조 장치를 나타내는 구성도이다.
본 발명의 일실시예인 적층제조용 금속분말 제조 장치(1)는 고압가스 분사를 이용하여 금속용탕을 냉각응고시키기 위한 장치로서, 상세하게로는 포집챔버의 저압존(S2)으로 제2 고압가스를 분사시켜 포집챔버 내의 압력분포차를 제거하여 위성분말 생성을 획기적으로 절감시킴으로써 높은 구형도 및 유동도의 금속분말 제조가 가능할 뿐만 아니라 표면의 균일성을 높여 품질, 분말수율 및 내구성을 현저히 개선시킬 수 있으며, 각 공정별 종래의 좁은 입도 분포를 확장시켜 금속 소재의 제작 비용을 절감시키기 위한 것이다.
또한 적층제조용 금속분말 제조 장치(1)는 도 4에 도시된 바와 같이, 금속분말을 용융시킨 후 수용하되, 하부로 용융된 금속분말인 용탕을 낙하시키는 용융부(3)와, 용융부(3)의 하부에 설치되어 용융부(3)로부터 낙하하는 액적으로 고압의 불활성 가스(N2, Ar, He)를 분사시켜 액적의 1차 분화가 이루어지도록 하는 가스분무부(5)와, 내부에 공간(S)을 갖는 통 형상으로 형성되어 가스분무부(5)의 하부에 배치되어 가스분무부(5)에 의해 분화된 금속분말을 포집하는 포집챔버(7)와, 포집챔버(7)의 내측벽(71)에 원호를 따라 간격을 두고 설치되어 평면상으로 바라보았을 때, 포집챔버(7)의 중앙(P)을 향하여 제2 고압가스를 분사하는 제2 노즐(9)들로 이루어진다.
이때 도면에는 도시되지 않았으나, 적층제조용 금속분말 제조장치(1)는 포집챔버(7)를 통과한 분말을 포집하는 사이클론(Cyclone)과 연결되고, 이러한 사이클론은 통상의 가스분사장치에서 통상적으로 사용되는 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다.
용융부(3)는 용융된 금속분말인 용탕(30)이 수용되는 도가니(31)와, 도가니(31)의 외측면에 권취되어 도가니(31)를 가열시켜 합금분말을 용융시키는 유도코일(33)과, 도가니(31)의 바닥면에 설치되며 중앙에 용탕(30)이 액적상태로 낙하되는 낙하공이 형성되는 턴디쉬(35)로 이루어진다.
가스분무부(5)는 용융부(3)의 하부와 포집챔버(7)의 상벽에 결합되는 함체 형상의 몸체(51)와, 용융부(3)의 직하부에 설치되는 환상의 제1 노즐(53)과, 단부가 제1 노즐(53)과 연결되어 외부로부터 유입된 고압가스(Ga)를 제1 노즐(53)로 이송시키는 고압가스 이송관(55)들로 이루어진다.
제1 노즐(53)은 중앙에 분사공이 형성되는 환상으로 이루어지고, 분사공으로는 용융부(3)로부터 낙하하는 용탕의 액적이 유입되게 된다. 이때 제1 노즐(53)은 5 ~ 50 kgf/cm2의 압력과 15~30m3/min의 유량으로 고압가스(Ga)를 분사시킨다.
또한 제1 노즐(53)로부터 분사되는 고압가스(Ga)는 불활성 가스(N2, Ar, He) 또는 에어(Air)인 것이 바람직하다.
즉 제1 노즐(53)의 분사공으로 유입된 액적은 제1 노즐(53)로부터 분사되는 고압가스(Ga)에 의하여 분화가 이루어지게 된다.
고압가스 이송관(55)는 고압가스(Ga)를 공급하는 고압가스 공급장치(10)와 연결되고, 단부가 제1 노즐(53)과 연결된다.
이러한 가스분무부(5)에 의하여 분화된 금속분말은 포집챔버(7)의 내부 공간(S)으로 이동하여 낙하하게 된다. 이때 분화된 금속분말은 아직 액체 상태이거나 또는 고체 상태를 형성하게 되고, 포집챔버(7)의 내부 공간(S)에서의 낙하를 통해 냉각되게 된다.
포집챔버(7)는 상부가 통 형상으로 형성되되, 하부가 깔대기 형상으로 형성되며, 내부에 분화된 금속분말의 낙하 및 포집이 이루어지는 공간(S)이 형성된다.
이때 포집챔버(7)의 내부 공간(S) 중, 가스분무부(5)와 인접한 상측 중앙에는 가스분무부(5)로부터 분사된 고압가스(Ga)에 의하여 고압존(S1)이 형성되고, 고압존(S1)의 외측으로는 저압존(S2)이 형성됨으로써 포집챔버(7)의 내부 공간(S)에는 압력분포차가 형성되고, 이러한 압력분포차는 조대분말의 이동경로에는 영향을 미치지 않으나, 극미세분말의 경우, 저압존(S2)으로 이동한 후, 다시 낙하가 이루어지기 때문에 위성분말을 생성하게 된다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 포집챔버(7)의 내측벽(71)의 상부에 제2 노즐(9)들을 설치함으로써 제2 노즐(9)들에서 분사되는 고압가스(Gn)에 의하여 포집챔버(7)의 저압존(S2)을 제거하도록 하였고, 이에 따라 극미세분말이 종래에서와 같이 저압존(S2)으로 불필요하게 이동하지 않고, 곧바로 고압존(S1)을 통과하여 하부로 낙하함으로써 다른 조대분말의 외면에 응집되는 현상을 현저히 절감시켜 위성분말의 발생율을 낮출 수 있도록 하였다.
제2 노즐(9)들은 포집챔버(7)의 내측벽(71)의 상단부와 인접한 지점에 설치되며, 원호를 따라 간격을 두고 설치된다.
또한 제2 노즐(9)들은 포집챔버(7)를 평면상으로 바라보았을 때, 포집챔버(7)의 중앙(P)을 향하면서, 지면과 평행한 방향으로 고압가스(Gn)를 분사함으로써 전술하였던 도 1에서와 같은 포집챔버(7) 내부의 저압존(S2)을 제거할 수 있게 되고, 이에 따라 가스분무부(5)의 고압가스(Ga)에 의해 분화된 극미세분말이 외측 저압존(S2)으로 이동하지 않고, 곧바로 고압존(S1)을 통과하여 낙하함으로써 위성분말의 생성을 획기적으로 절감시킬 수 있게 된다.
또한 제2 노즐(9)들은 제1 노즐(53)로 고압가스를 제공하는 고압가스 공급장치(10)와 연결됨으로써 제2 노즐(9)들에 의해 분사되는 고압가스인 신규가스(Gn)는 제1 노즐(53)을 통해 분사되는 고압가스(Ga)와 마찬가지로, 불활성 가스(N2, Ar, He) 또는 에어(Air)로 구성된다.
이때 제2 노즐(9)의 신규가스(Gn)와 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 투입비율(R, R=Gn/Ga)은 0.3 ~ 2.0인 것이 바람직하고, 이때 만약 투입비율(R)이 0.3 미만이면 제2 노즐(9)로부터 분사되는 신규가스(Gn)의 유량이 과도하게 작아, 저압존(S2) 제거 효율이 떨어져 위성분말이 발생하는 문제점이 발생하고, 만약 투입비율(R)이 2.0 이상이면 제2 노즐(9)로부터 분사되는 신규가스(Gn)의 유량이 과도하게 높아져, 오히려 포집챔버(7) 내에 또 다른 압력분포차를 발생시키는 문제점이 발생한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예인 제2 적층제조용 금속분말 제조 장치를 나타내는 구성도이다.
본 발명의 제2 실시예인 제2 적층제조용 금속분말 제조 장치(200)는 도 5에 도시된 바와 같이, 전술하였던 도 4와 동일한 구조 및 형상의 용융부(3), 가스분무부(5), 포집챔버(7) 및 제2 노즐(9)들을 포함한다.
또한 제2 적층제조용 금속분말 제조 장치(200)는 가스분무부(5)의 제1 노즐(53)이 고압가스 공급장치(10)와 연결되고, 제2 노즐(9)들은 가스 리사이클링 시스템(210)과 연결되어 재생가스(Gr)를 공급받는다.
이때 가스 리사이클링 시스템(210)은 도면에는 도시되지 않았으나, 포집챔버(7)로부터 배출되는 배출가스를 냉각시키는 가스냉각장치와, 배출가스를 필터링 하는 필터장치를 포함하고, 이러한 배출가스를 냉각, 필터링 및 순환하여 리사이클링 하는 기술 및 방법은 이미 널리 사용되는 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한 제2 노즐(9)의 재생가스(Gr)와 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 제2 투입비율(R2, R2=Gr/Ga)은 0.3 ~ 2.0인 것이 바람직하고, 이때 만약 제2 투입비율(R2)이 0.3 미만이면 제2 노즐(9)로부터 분사되는 재생가스(Gr)의 유량이 과도하게 작아, 저압존(S2) 제거 효율이 떨어져 위성분말이 발생하는 문제점이 발생하고, 만약 제2 투입비율(R2)이 2.0 이상이면 제2 노즐(9)로부터 분사되는 재생가스(Gr)의 유량이 과도하게 높아져, 오히려 포집챔버(7) 내에 또 다른 압력분포차를 발생시키는 문제점이 발생한다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예인 제3 적층제조용 금속분말 제조 장치를 나타내는 구성도이다.
본 발명의 제3 실시예인 제3 적층제조용 금속분말 제조 장치(300)는 도 6에 도시된 바와 같이, 전술하였던 도 4와 동일한 구조 및 형상의 용융부(3), 가스분무부(5), 포집챔버(7) 및 제2 노즐(9)들을 포함한다.
또한 제3 적층제조용 금속분말 제조 장치(300)는 가스분무부(5)의 제1 노즐(53)이 고압가스 공급장치(310)와 연결된다.
또한 제3 적층제조용 금속분말 제조 장치(300)는 제2 노즐(9)들이 고압가스 공급장치(310)와 연결되어 신규가스(Gn)를 공급받음과 동시에 가스 리사이클링 시스템(320)과 연결되어 재생가스(Gr)를 공급받는다.
즉 제3 적층제조용 금속분말 장치(300)의 제2 노즐(9)들에서 분사되는 고압가스(Gn+Gr)는 고압가스 공급장치(310) 및 가스 리사이클링 시스템(320)으로부터 공급받는다.
또한 제2 노즐(9)로부터 분사되는 고압가스(Gn＋Gr)와 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 제3 투입비율(R3, R3=(Gn+Gr)/Ga)은 0.3 ~ 2.0인 것이 바람직하고, 이때 만약 제3 투입비율(R3)이 0.3 미만이면 제2 노즐(9)로부터 분사되는 고압가스(Gn＋Gr)의 유량이 과도하게 작아, 저압존(S2) 제거 효율이 떨어져 위성분말이 발생하는 문제점이 발생하고, 만약 제3 투입비율(R3)이 2.0 이상이면 제2 노즐(9)로부터 분사되는 고압가스(Gn＋Gr)의 유량이 과도하게 높아져, 오히려 포집챔버(7) 내에 또 다른 압력분포차를 발생시키는 문제점이 발생한다.
또한 도 4 내지 6에서는 도시되지 않았으나, 공급가스 공급장치와 가스 리사이클링 시스템에는 인버터, 밸브 등의 유량조절부재(미도시)가 설치되어 이송대상으로 정밀한 유량 제어가 가능하도록 구성된다.
도 7은 본 발명의 일실시예인 적층제조용 금속분말 제조 장치에 의해 제되는 적층제조용 금속분말 제조 방법을 나타내는 공정순서도이다.
본 발명의 적층제조용 금속분말 제조 방법(S1)은 도 7에 도시된 바와 같이, 금속분말 잉곳(Ingot)이 장입된 도가니가 용융되어 금속용탕이 생성되는 용융단계(S10)와, 용융단계(S10)에 의해 생성된 금속용탕이 액적 형상으로 낙하되는 액적낙하단계(S20)와, 고압가스 공급장치가 제1 노즐(53) 및 제2 노즐(9)로 불활성 기체인 고압가스를 이송시키는 고압가스 공급단계(S30)와, 제1 노즐(53)이 액적낙하단계(S20)에 의해 낙하되는 액적으로 고압가스 공급단계(S30)에 의해 공급된 고압가스를 분사시켜 액적을 분화시키는 제1 가스분사단계(S40)와, 제1 가스분사단계(S40)에 의해 분화된 금속분말이 포집챔버(7)로 유입될 때, 제2 노즐(9)들이 포집챔버(7)의 중앙을 향하여 고압가스 공급단계(S30)에 의해 공급된 고압가스를 분사시키는 제2 가스분사단계(S50)와, 제2 가스분사단계(S50)를 통과한 금속분말들이 포집챔버(7)에 포집되는 포집단계(S60)로 이루어진다.
고압가스 공급단계(S30)는 고압가스 공급장치(10)가 제1 가스분사단계(S40) 및 제2 가스분사단계(S50)로 고압가스를 이송시키는 단계이다.
이때 고압가스 공급단계(S30)는 제2 가스분사단계(S50)로 공급되는 신규가스(Gn)와, 제1 가스분사단계(S40)로 공급되는 고압가스(Ga)의 비율인 투입비율(R, R=Gn/Ga)이 0.3 ~ 2.0의 범위를 갖도록 고압가스를 공급한다.
또한 고압가스 공급단계(S30)는 다른 실시예로, 1)고압가스 공급장치(10)가 고압가스(Ga)를 제1 가스분사단계(S40)로 공급하되, 2)가스 리사이클링 시스템이 포집챔버(7)로부터 배출되는 가스를 냉각 및 필터링 한 후, 재생가스(Gr)를 제2 가스분단계(S50)로 공급하도록 구성될 수 있다.
또한 고압가스 공급단계(S30)는 또 다른 실시예로, 1)고압가스 공급장치(10)가 고압가스(Ga)를 제1 가스분사단계(S40) 및 제2 가스분사단계(S50)로 공급하되, 2)가스 리사이클링 시스템이 포집챔버(7)로부터 배출되는 가스를 냉각 및 필터링 한 후, 재생가스(Gr)를 제2 가스분단계(S50)로 공급하도록 구성될 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 관해 실시예를 들어 더욱 상세하게로 설명하기로 한다.
또한 다음의 실시예들은 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위를 제한하지 않는다.
표 1은 본 발명의 적층제조용 금속분말 제조 장치의 공정조건을 나타내는 표이다.
[표 1]
Figure 112021037710926-pat00001
[실시예 1]
용융부로부터 낙하하는 액적을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스를 22kgf/cm2의 압력 및 25m3/min의 유량으로 분사시키는 제1 노즐;
제1 노즐에 의해 분화되어 포집챔버로 유입된 금속분말을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스인 신규가스(Gn)를 7.5m3/min의 유량으로 분사시키는 제2 노즐들을 포함하고,
상기 제2 노즐의 분사가스(Gn) 및 상기 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 투입비율(R)이 0.30인 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조 장치.
[실시예 2]
용융부로부터 낙하하는 액적을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스를 50kgf/cm2의 압력 및 25m3/min의 유량으로 분사시키는 제1 노즐;
제1 노즐에 의해 분화되어 포집챔버로 유입된 금속분말을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스인 신규가스(Gn)를 25m3/min의 유량으로 분사시키는 제2 노즐들을 포함하고,
상기 제2 노즐의 분사가스(Gn) 및 상기 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 투입비율(R)이 1.00인 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조 장치.
[실시예 3]
용융부로부터 낙하하는 액적을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스를 50kgf/cm2의 압력 및 25m3/min의 유량으로 분사시키는 제1 노즐;
제1 노즐에 의해 분화되어 포집챔버로 유입된 금속분말을 향하여, 1)고압가스로부터 공급받은 신규가스(Gn)를 12m3/min의 유량으로 분사시킴과 동시에 2)가스 리사이클링 시스템으로부터 공급받은 재생가스(Gr)를 12m3/min의 유량으로 분사시키는 제2 노즐들을 포함하고,
상기 제2 노즐의 분사가스(Gn+Gr) 및 상기 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 투입비율(R)이 0.96인 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조 장치.
[실시예 4]
용융부로부터 낙하하는 액적을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스를 50kgf/cm2의 압력 및 25m3/min의 유량으로 분사시키는 제1 노즐;
제1 노즐에 의해 분화되어 포집챔버로 유입된 금속분말을 향하여, 1)고압가스로부터 공급받은 신규가스(Gn)를 24m3/min의 유량으로 분사시킴과 동시에 2)가스 리사이클링 시스템으로부터 공급받은 재생가스(Gr)를 24m3/min의 유량으로 분사시키는 제2 노즐들을 포함하고,
상기 제2 노즐의 분사가스(Gn+Gr) 및 상기 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 투입비율(R)이 1.92인 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조 장치.
[실시예 5]
용융부로부터 낙하하는 액적을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스를 50kgf/cm2의 압력 및 25m3/min의 유량으로 분사시키는 제1 노즐;
제1 노즐에 의해 분화되어 포집챔버로 유입된 금속분말을 향하여, 가스 리사이클 시스템으로부터 공급받은 재생가스(Gr)를 48m3/min의 유량으로 분사시키는 제2 노즐들을 포함하고,
상기 제2 노즐의 재생가스(Gr) 및 상기 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 투입비율(R)이 1.92인 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조 장치.
[실험예 1]
상기 실시예 1 내지 5를 통해 제조된 금속분말에 대하여, ISO 6186:1998, 방법 A에 따라 분말 유동성을 측정하였다.
다음의 표 2는 실시예 1 내지 5에 대한 실험예 1의 측정값을 나타내는 표이다.
[표 2]
Figure 112021037710926-pat00002
표 2를 참조하여 실시예 1 내지 5에 의한 금속분말의 유동도에 살펴보기로 한다.
실시예1은 제1 노즐(53)의 분사가스(Ga)가 ‘22kgf/cm2’의 압력 및 ‘25m3/min’의 유량으로 분사됨과 동시에 제2 노즐(9)의 분사가스(Gn)가 ‘7.5m3/min’의 유량으로 분사되고, ‘0.30‘의 투입비율(R)로 분사가스(Ga), (Gn)들이 분사됨에 따라, ’14.8 sec/50g‘의 유동도가 측정되는 것을 알 수 있다.
또한 실시예2는 제1 노즐(53)의 분사가스(Ga)가 ‘50kgf/cm2’의 압력 및 ‘25m3/min’의 유량으로 분사됨과 동시에 제2 노즐(9)의 분사가스(Gn)가 ‘25m3/min’의 유량으로 분사되고, ‘1.0‘의 투입비율(R)로 분사가스(Ga), (Gn)들이 분사됨에 따라, ’12.5 sec/50g‘의 유동도가 측정되었고, 실시예1과 비교하여, 투입비율(R)이 증가와 비례하여 유동도가 더욱 개선된 것을 알 수 있다.
또한 실시예3은 제1 노즐(53)의 분사가스(Ga)가 ‘50kgf/cm2’의 압력 및 ‘25m3/min’의 유량으로 분사됨과 동시에 제2 노즐(9)이 ‘12m3/min’ 유량의 신규가스(Gn)와 ‘12m3/min’ 유량의 재생가스(Gr)를 분사시키고, ‘0.96‘의 투입비율(R)로 분사가스(Ga), (Gn+Gr)들이 분사됨에 따라, ’12.5 sec/50g‘의 유동도가 측정되었고, 실시예2와 비교할 때, 신규가스(Gn) 및 재생가스(Gr)의 유량을 합산한 값이 실시예2의 신규가스(Gn)의 유량과 동일하기 때문에 실시예2와 동일한 ’12.5 sec/50g‘의 유동도가 측정된 것을 알 수 있다.
또한 실시예4는 제1 노즐(53)의 분사가스(Ga)가 ‘50kgf/cm2’의 압력 및 ‘25m3/min’의 유량으로 분사됨과 동시에 제2 노즐(9)이 ‘24m3/min’ 유량의 신규가스(Gn)와 ‘24m3/min’ 유량의 재생가스(Gr)를 분사시키고, ‘1.92‘의 투입비율(R)로 분사가스(Ga, (Gn+Gr))들이 분사됨에 따라, ’10.0 sec/50g‘의 유동도가 측정되었고, 실시예 1 내지 3과 비교하여 유동도가 가장 개선된 것을 알 수 있다.
이때 실시예4는 실시예3과 비교할 때, 제2 노즐(9)의 분사가스(Gn+Gr)의 총유량이 ‘24m3/min’에서 ‘48m3/min’으로 증가하여 투입비율(R)이 ‘0.96’에서 ‘1.92’로 증가한 점을 감안해보면, 투입비율(R)이 적정범위인 0.3 ~ 2.0의 범위 내에서 높을수록 유동도가 증가하는 것을 유추할 수 있다.
또한 실시예5는 제1 노즐(53)의 분사가스(Ga)가 ‘50kgf/cm2’의 압력 및 ‘25m3/min’의 유량으로 분사됨과 동시에 제2 노즐(9)의 재생가스(Gr)가 ‘48m3/min’ 유량으로 분사되고, ‘1.92‘의 투입비율(R)로 분사가스(Ga), (Gr)들이 분사됨에 따라, ’10.5 sec/50g‘의 유동도가 측정되었고, 실시예4와 유사하게 유동도가 개선된 것을 알 수 있다.
이러한 실시예 1 내지 5 에 대한 실험예 1의 결과값을 살펴보면, 최종 생산된 금속분말의 유동도는 1)제2 노즐(9)로 공급되는 고압가스의 종류(Gn, Gr, Gn+Gr)와는 무방하되, 2)투입비율(R)의 적정범위내에서의 크기와 비례하여 개선된다는 것을 알 수 있다.
또한 실시예 1 내지 5는 1)제1 노즐의 분사가스의 압력 및 유량이 적정점위인 ‘5 ~ 50 kgf/cm2’ 및 ‘15 ~ 30m3/min’에 포함됨과 동시에 2)투입비율(R)이 적정범위인 0.3 ~ 2.0 사이로 구현됨에 따라 15.0sec/50g 미만으로 유동도가 측정되어 유동도가 개선된 것을 알 수 있다.
다음의 표 3은 본 발명의 적층제조용 금속분말 제조 장치의 공정조건을 나타내는 표이다.
[표 3]
Figure 112021037710926-pat00003
[비교예 1]
용융부로부터 낙하하는 액적을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스를 50kgf/cm2의 압력 및 25m3/min의 유량으로 분사시키는 제1 노즐을 포함하고,
상기 제2 노즐에서 가스가 분사되지 않음에 따라, 투입비율(R)이 0인 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조 장치.
[비교예 2]
용융부로부터 낙하하는 액적을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스를 50kgf/cm2의 압력 및 25m3/min의 유량으로 분사시키는 제1 노즐;
제1 노즐에 의해 분화되어 포집챔버로 유입된 금속분말을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스인 신규가스(Gn)를 5m3/min의 유량으로 분사시키는 제2 노즐들을 포함하고,
상기 제2 노즐의 분사가스(Gn) 및 상기 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 투입비율(R)이 0.20인 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조 장치.
[비교예 3]
용융부로부터 낙하하는 액적을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스를 50kgf/cm2의 압력 및 25m3/min의 유량으로 분사시키는 제1 노즐;
제1 노즐에 의해 분화되어 포집챔버로 유입된 금속분말을 향하여, 가스 리사이클링 시스템으로부터 공급받은 고압가스인 재생가스(Gn)를 5m3/min의 유량으로 분사시키는 제2 노즐들을 포함하고,
상기 제2 노즐의 분사가스(Gr) 및 상기 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 투입비율(R)이 0.20인 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조 장치.
[비교예 4]
용융부로부터 낙하하는 액적을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스를 50kgf/cm2의 압력 및 25m3/min의 유량으로 분사시키는 제1 노즐;
제1 노즐에 의해 분화되어 포집챔버로 유입된 금속분말을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스인 신규가스(Gn)를 55m3/min의 유량으로 분사시키는 제2 노즐들을 포함하고,
상기 제2 노즐의 분사가스(Gn) 및 상기 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 투입비율(R)이 2.20인 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조 장치.
[비교예 5]
용융부로부터 낙하하는 액적을 향하여, 고압가스 공급장치로부터 공급받은 고압가스를 50kgf/cm2의 압력 및 25m3/min의 유량으로 분사시키는 제1 노즐;
제1 노즐에 의해 분화되어 포집챔버로 유입된 금속분말을 향하여, 1)고압가스로부터 공급받은 신규가스(Gn)를 35m3/min의 유량으로 분사시킴과 동시에 2)가스 리사이클링 시스템으로부터 공급받은 재생가스(Gr)를 35m3/min의 유량으로 분사시키는 제2 노즐들을 포함하고,
상기 제2 노즐의 분사가스(Gn+Gr) 및 상기 제1 노즐의 고압가스(Ga)의 비율인 투입비율(R)이 2.80인 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조 장치.
다음의 표 4는 비교예 1 내지 5에 대한 실험예 1의 측정값을 나타내는 표이다.
[표 4]
Figure 112021037710926-pat00004
표 4를 참조하여 비교예 1 내지 5에 의한 금속분말의 유동도에 살펴보기로 한다.
비교예1은 제1 노즐(53)의 분사가스(Ga)가 ‘50kgf/cm2’의 압력 및 ‘25m3/min’의 유량으로 분사되되, 제2 노즐(9)에서 별도의 고압가스가 분사되지 않아, ‘0.00’의 투입비율(R)로 분사가스(Ga), (Gn)들이 분사됨에 따라, 포집챔버(7)의 저압존(S2)이 제거되지 않아, ‘17.5 sec/50g‘의 높은 유동도가 측정된 것을 알 수 있다.
또한 비교예2는 제1 노즐(53)의 분사가스(Ga)가 ‘50kgf/cm2’의 압력 및 ‘25m3/min’의 유량으로 분사됨과 동시에 제2 노즐(9)의 분사가스(Gn)가 ‘5m3/min’의 유량으로 분사되고, ‘0.20‘의 투입비율(R)로 분사가스(Ga), (Gn)들이 분사됨에 따라, ’17.2 sec/50g‘의 유동도가 측정된 것을 알 수 있다.
즉 비교예2는 제2 노즐의 고압가스의 유량이 제1 노즐과 비교하여 과도하게 낮아, 투입비율(R)이 적정범위인 0.3 ~ 2.0 보다 작게 구현됨에 따라 포집챔버(7) 내 저압존(S2)이 확실하게 제거되지 않아, 비교예1 보다는 유동도가 작게 개선되었으나, ’17.2 sec/50g‘의 높은 유동도가 측정된 것을 알 수 있다.
비교예3은 제1 노즐(53)의 분사가스(Ga)가 ‘50kgf/cm2’의 압력 및 ‘25m3/min’의 유량으로 분사됨과 동시에 제2 노즐(9)의 재생가스(Gr)가 ‘5m3/min’의 유량으로 분사되고, ‘0.20‘의 투입비율(R)로 분사가스(Ga), (Gr)들이 분사됨에 따라, ’17.1 sec/50g‘의 유동도가 측정된 것을 알 수 있다.
즉 비교예 1 내지 3을 참조하여 살펴볼 때, 본 발명은 제1 노즐 및 제2 노즐의 투입비율(R)이 0.3 미만으로 구현되면, 최종 생산된 금속분말의 유동도 개선에 크게 효과가 없는 것을 알 수 있다.
또한 비교예4는 제1 노즐(53)의 분사가스(Ga)가 ‘50kgf/cm2’의 압력 및 ‘25m3/min’의 유량으로 분사됨과 동시에 제2 노즐(9)의 분사가스(Gn)가 ‘55m3/min’의 유량으로 분사되고, ‘2.20‘의 투입비율(R)로 분사가스(Ga), (Gn)들이 분사됨에 따라, ’16.2 sec/50g‘의 유동도가 측정된 것을 알 수 있다.
즉 비교예4는 제2 노즐의 고압가스의 유량이 제1 노즐과 비교하여 과도하게 높아, 투입비율(R)이 적정범위인 0.3 ~ 2.0 보다 크게 구현됨에 따라, 포집챔버(7) 내에 오히려 또 다른 저압존을 형성시켜 오히려 ’15.0 sec/50g‘ 이상의 높은 유동도가 측정된 것을 알 수 있다.
비교예5는 제1 노즐(53)의 분사가스(Ga)가 ‘50kgf/cm2’의 압력 및 ‘25m3/min’의 유량으로 분사됨과 동시에 제2 노즐(9)이 ‘35m3/min’ 유량의 신규가스(Gn)와 ‘35m3/min’ 유량의 재생가스(Gr)를 분사시키고, ‘2.80‘의 투입비율(R)로 분사가스(Ga), (Gn+Gr)들이 분사됨에 따라, ’16.7 sec/50g‘의 높은 유동도가 측정된 것을 알 수 있다.
즉 비교예 4와 5를 비교하여 보면, 비교예 5는 비교예 4와 비교하여, 제2 노즐(9)의 총유량이 더욱 증가함에 따라 투입비율(R)이 적정범위 보다 더욱 크게 초과하였고, 이에 따라 비교예4 보다 유동도가 증가한 점을 감안할 때, 투입비율(R)이 적정범위를 초과한 값이 증가하면 증가할수록 위성분말 생성이 더욱 활발하게 이루어지는 것을 알 수 있다.
도 8은 실시예4 및 비교예1에 의해 제조되는 금속분말을 나타내는 SEM 사진이다.
도 8을 참조하여 살펴보면, 실시예4는 제1 노즐(53)의 분사가스(Ga)가 ‘50kgf/cm2’의 압력 및 ‘25m3/min’의 유량으로 분사됨과 동시에 제2 노즐(9)이 ‘24m3/min’ 유량의 신규가스(Gn)와 ‘24m3/min’ 유량의 재생가스(Gr)를 분사시키고, ‘1.92‘의 투입비율(R)로 분사가스(Ga, (Gn+Gr))들이 분사됨에 따라, 제2 노즐(9)에서 고압가스가 분사되지 않는 비교예 1과 비교하여, 위성분말 생성이 비활성화되어 높은 구형도를 갖는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예인 적층제조용 금속분말 제조 장치(1)는 포집챔버의 내측벽 상부에 설치되어 가스분무부에 의해 분화된 액적으로 고압가스를 분사시키는 제2 노즐들을 포함함으로써 제2 노즐들에 의한 고압가스로 인해 포집챔버의 내부 공간의 압력분포차가 제거됨에 따라 종래에 극미세분말이 저압존(S2)으로 이동한 후 낙하하여 위성분말(Satellite powder)을 발생시키는 현상을 획기적으로 절감시킬 수 있고, 이에 따라 높은 구형도 및 유동도의 금속분말 제조가 가능할 뿐만 아니라 표면의 균일성을 높여 품질, 분말수율 및 내구성을 현저히 개선시킬 수 있으며, 각 공정별 종래의 좁은 입도 분포를 확장시켜 금속 소재의 제작 비용을 절감시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명의 적층제조용 금속분말 제조 장치(1)는 제1 노즐로부터 분사되는 고압가스의 압력 및 유량을 ‘5 ~ 50 kgf/cm2’ 및 ‘15 ~ 30m3/min’으로 한정함과 동시에 제2 노즐로부터 분사되는 고압가스(Gb)의 유량과 제1 노즐로부터 분사되는 고압가스(Ga)의 유량의 비율인 투입비율(R, R=Gb/Ga)을 0.3 ~ 2.0으로 한정하는 최적의 공정조건을 제공함으로써 위성분말 발생율을 더욱 절감시켜 유동도를 개선시킬 수 있게 된다.
1:적층제조용 금속분말 제조 장치 3:용융부
5:가스분무부 7:포집챔버
9:제2 노즐 10:고압가스 공급장치
30:용탕 31:도가니
33:유도코일 35:턴디쉬
51:몸체 53:제1 노즐
55:고압가스 이송관 71:내측벽
210:가스 리사이클링 시스템 S1:적층제고용 금속분말 제조 방법
S10:용융단계 S20:액적낙하단계
S30:고압가스 공급단계 S40:제1 가스분사단계
S50:제2 가스분사단계 S60:포집단계

Claims (6)

  1. 원료금속의 잉곳(ingot)이 장입되는 도가니와, 상기 도가니의 잉곳을 용융시키는 발열수단과, 상기 도가니의 하부에 설치되어 용융된 용탕을 액적상태로 낙하시키는 턴디쉬를 포함하는 용융부;
    상기 용융부의 하부에 설치되며, 상기 용융부로부터 낙하하여 중앙의 분사공을 통과하는 액적으로 고압가스를 분사시켜 액적을 분화시키는 제1 노즐을 포함하는 가스분무부;
    내부 공간(S)으로 상기 가스분무부에 의해 분화된 액적이 낙하되는 포집챔버;
    상기 포집챔버의 내측벽의 상부에 설치되며, 상기 가스분무부에 의해 분화된 액적이 상기 포집챔버로 유입될 때, 유입된 액적으로 고압가스를 분사하는 제2 노즐들을 포함하고,
    상기 제2 노즐들은
    상기 포집챔버의 상단부와 인접한 내측벽에 원호를 따라 간격을 두고 설치되며, 평면상으로 바라보았을 때, 상기 포집챔버의 중앙을 향하되, 측면상으로 바라보았을 때, 지면과 평행한 방향으로 고압가스(Gn)를 분사하는 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적층제조용 금속 분말 제조 장치는
    상기 제2 노즐들로부터 분사되는 분사가스(Gs)의 유량과 상기 제1 노즐로부터 분사되는 고압가스(Ga)의 유량의 비율인 투입비율(R, R=Gs/Ga)이 0.3 ~ 2.0인 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 적층제조용 금속분말 제조장치는
    투입비율(R)이 0.3 ~ 2.0로 구현되도록, 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐들로 고압가스를 공급하는 고압가스 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 적층제조용 금속분말 제조장치는
    상기 제1 노즐로 고압가스를 공급하는 고압가스 공급장치;
    상기 포집챔버로부터 배출된 가스를 냉각 및 필터링 한 후, 상기 제2 노즐들로 공급하는 가스 리사이클링 시스템을 더 포함하고,
    상기 고압가스 공급장치 및 상기 가스 리사이클링 시스템은
    투입비율(R)이 0.3 ~ 2.0으로 구현되도록, 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐들로 공급되는 가스의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 적층제조용 금속분말 제조장치는
    상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐들로 고압가스를 공급하는 고압가스 공급장치;
    상기 포집챔버로부터 배출된 가스를 냉각 및 필터링 한 후, 상기 제2 노즐들로 공급하는 가스 리사이클링 시스템을 더 포함하고,
    상기 고압가스 공급장치 및 상기 가스 리사이클링 시스템은
    투입비율(R)이 0.3 ~ 2.0으로 구현되도록, 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐들로 공급되는 가스의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조장치.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 노즐은
    ‘5 ~ 50 kgf/cm2’의 압력과 ‘15 ~ 30m3/min’의 유량으로 고압가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 적층제조용 금속분말 제조장치.
KR1020210041716A 2021-03-31 2021-03-31 고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법 KR102410113B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210041716A KR102410113B1 (ko) 2021-03-31 2021-03-31 고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210041716A KR102410113B1 (ko) 2021-03-31 2021-03-31 고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102410113B1 true KR102410113B1 (ko) 2022-06-22

Family

ID=82217128

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210041716A KR102410113B1 (ko) 2021-03-31 2021-03-31 고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102410113B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116037937A (zh) * 2022-12-12 2023-05-02 安徽金亿新材料股份有限公司 一种提高智能制造粉末质量的金属粉末制造设备
KR102623629B1 (ko) 2022-12-09 2024-01-11 서울대학교산학협력단 전계방출 추력기 프리웨팅장치
KR102623630B1 (ko) 2022-12-09 2024-01-11 서울대학교산학협력단 전계방출 추력시스템

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05255711A (ja) * 1992-03-10 1993-10-05 Sumitomo Metal Ind Ltd アトマイズ法とそのための装置
KR950000268A (ko) * 1993-06-18 1995-01-03 배창환 금속분말제조용 고압가스분사기
US20140010700A1 (en) * 2009-09-15 2014-01-09 United Technologies Corporation Direct extrusion of shapes with l12 aluminum alloys
KR101426021B1 (ko) * 2014-02-12 2014-08-05 공주대학교 산학협력단 비정질 합금분말 제조방법 및 그 제조장치
KR20140134551A (ko) * 2013-05-14 2014-11-24 부산대학교 산학협력단 금속 분말을 제조하기 위한 방법 및 아토마이저 장치
KR101776111B1 (ko) * 2015-09-30 2017-09-08 주식회사 화우 지르코늄 분말 또는 지르코늄합금 분말의 제조방법 및 그에 따른 지르코늄 분말 또는 지르코늄합금 분말
JP6323603B1 (ja) * 2017-08-08 2018-05-16 Tdk株式会社 金属粉末製造装置と金属粉末の製造方法
KR20180104910A (ko) * 2017-03-14 2018-09-27 재단법인 포항산업과학연구원 환형 가스 분사 장치를 이용한 금속 분말의 제조 장치
KR20190088002A (ko) * 2017-08-04 2019-07-25 미아솔 이퀴프먼트 인터그레이션(푸지옌) 컴퍼니 리미티드 합금 분말 및 이의 제조방법
KR20190088003A (ko) * 2017-08-04 2019-07-25 미아솔 이퀴프먼트 인터그레이션(푸지옌) 컴퍼니 리미티드 합금금속분말의 미립화장치 및 제조방법
KR102074861B1 (ko) * 2016-10-18 2020-02-10 한국기계연구원 미세분말 제조장치 및 방법
KR102232302B1 (ko) * 2020-04-20 2021-03-25 이진효 가스아토마이징 장치
KR20210101086A (ko) * 2020-02-07 2021-08-18 코오롱인더스트리 주식회사 유체분사노즐 조립체

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05255711A (ja) * 1992-03-10 1993-10-05 Sumitomo Metal Ind Ltd アトマイズ法とそのための装置
KR950000268A (ko) * 1993-06-18 1995-01-03 배창환 금속분말제조용 고압가스분사기
US20140010700A1 (en) * 2009-09-15 2014-01-09 United Technologies Corporation Direct extrusion of shapes with l12 aluminum alloys
KR20140134551A (ko) * 2013-05-14 2014-11-24 부산대학교 산학협력단 금속 분말을 제조하기 위한 방법 및 아토마이저 장치
KR101426021B1 (ko) * 2014-02-12 2014-08-05 공주대학교 산학협력단 비정질 합금분말 제조방법 및 그 제조장치
KR101776111B1 (ko) * 2015-09-30 2017-09-08 주식회사 화우 지르코늄 분말 또는 지르코늄합금 분말의 제조방법 및 그에 따른 지르코늄 분말 또는 지르코늄합금 분말
KR102074861B1 (ko) * 2016-10-18 2020-02-10 한국기계연구원 미세분말 제조장치 및 방법
KR20180104910A (ko) * 2017-03-14 2018-09-27 재단법인 포항산업과학연구원 환형 가스 분사 장치를 이용한 금속 분말의 제조 장치
KR20190088003A (ko) * 2017-08-04 2019-07-25 미아솔 이퀴프먼트 인터그레이션(푸지옌) 컴퍼니 리미티드 합금금속분말의 미립화장치 및 제조방법
KR20190088002A (ko) * 2017-08-04 2019-07-25 미아솔 이퀴프먼트 인터그레이션(푸지옌) 컴퍼니 리미티드 합금 분말 및 이의 제조방법
JP6323603B1 (ja) * 2017-08-08 2018-05-16 Tdk株式会社 金属粉末製造装置と金属粉末の製造方法
KR20210101086A (ko) * 2020-02-07 2021-08-18 코오롱인더스트리 주식회사 유체분사노즐 조립체
KR102232302B1 (ko) * 2020-04-20 2021-03-25 이진효 가스아토마이징 장치

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102623629B1 (ko) 2022-12-09 2024-01-11 서울대학교산학협력단 전계방출 추력기 프리웨팅장치
KR102623630B1 (ko) 2022-12-09 2024-01-11 서울대학교산학협력단 전계방출 추력시스템
CN116037937A (zh) * 2022-12-12 2023-05-02 安徽金亿新材料股份有限公司 一种提高智能制造粉末质量的金属粉末制造设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102410113B1 (ko) 고품위 적층제조용 금속분말 제조 장치 및 방법
CN106378460B (zh) 制备球形纯钛或钛合金粉末的等离子雾化方法及设备
CN107695338B (zh) 一种AlSi7Mg粉末材料及其制备方法和其应用
CN104923797B (zh) 用于激光选区熔化技术的Inconel625镍基合金粉末的制备方法
CN106735273A (zh) 一种选区激光熔化成形用Inconel718镍基合金粉末及其制备方法
US4787935A (en) Method for making centrifugally cooled powders
CN105290412A (zh) 制备超细近球形低氧金属粉末的雾化方法及设备
JPH0791571B2 (ja) チタン粒子の製造法
JP2020532650A (ja) 付加製造プロセス用の高品質球状粉末及びその形成方法
CN104903029A (zh) 使用高能束选择性熔化或选择性烧结优化紧实度的粉末床增材制造部件的方法
JP2016211027A (ja) 金属粉末の製造方法及び製造装置
CN1422718A (zh) 球形金属粉末的超声雾化制备方法及装置
CN109986086A (zh) 一种用于增材制造的高球形度多组元合金粉末的制备方法
JP4264873B2 (ja) ガスアトマイズ法による微細金属粉末の製造方法
CN110919014A (zh) 一种3d打印用钛合金粉末的制备方法
CN108526488A (zh) 一种增减材制备钛合金零件的方法
US11794248B2 (en) Multi-stage gas atomization preparation method of titanium alloy spherical powder for 3D printing technology
CN204818071U (zh) 一种制备增材制造用金属球形粉末的装置
CN106112000A (zh) 一种3d打印金属粉末的制备方法
KR20040067608A (ko) 금속 분말 및 그 제조 방법
US4869469A (en) System for making centrifugally cooling metal powders
US11712739B2 (en) Metal powder production apparatus
CN104858440A (zh) 一种制备增材制造用金属球形粉末的方法
CN114888307A (zh) 一种3d打印废旧粉末的回收装置及方法
KR102435237B1 (ko) 가스 분무 및 리사이클을 활용하여 수율 증대 및 생산비 절감의 효과를 높인 금속분말 제조 시스템 및 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant