KR20120128171A - 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄 - Google Patents

금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄 Download PDF

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Abstract

생활 속, 산업현장에서 필요한 부품 및 제품을 쉽게 만들어 사용할 수 있으며, 그 제품이 금속, 세라믹, 플라스틱일 때 3D프린터로 각 해당 분말인 금속분말, 세라믹 분말, 플라스틱 분말을 한층 적층하고 제품의 단면의 도면에 따라 레이저 출력으로 패턴을 용접하여 일체화시켜 형상을 만들며 상기 작업을 제품의 단면마다 반복적으로 작업하여 필요한 제품을 만들며, 제품을 금속, 또는, 세라믹으로 만들기 때문에 실제 필요한 제품을 바로 만들 수 있는 장점을 가지며, 대량의 제품이 필요할 때는 제품을 만들지 않고 정밀주조에 필요한 왁스금형을 만들 수 있으며, 또는, 플라스틱 사출금형을 제작할 수 있고, 분말야금 금형을 만들 수도 있어, 바로 대량생산 채비를 쉽게 할 수 있어 산업현장에서 큰 이점을 가진다.

Description

금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄{Multilayer metal powder laser welding method of 3D printing}
본 발명의 분야 기술인 3D프린팅기술은 다음과 같다. 종래에는 잉크젯프린트 방식의 기술을 집약시켜 UV경화 수지계열을 프린팅하고 UV를 조사하여 경화시키면서 모형의 단면을 세분화시켜 인쇄 적층 하는 방식으로 어떤 모형이든지 만들어 낼 수 있는 3D프린팅 시스템이다. 또한, 플라스틱의 대표격인 ABS의 소재도 일부 사용되고 있다. 프린터기 출력방식은 크게는 잉크젯프린트의 기계로 버블젯방식의 노즐에 순간적인 열을 가하여 발생하는 소재의 기포 방울을 신호에 따라 생성하여 소재를 밀어내는 방식과, 마하젯 분사방식의 압전소자인 피에조 노즐에 입력되는 신호에 따라 뒤쪽의 플레이트가 줄어드는 크기를 조절하는 것으로 미세한 소재를 분사하는 방식과, 써멀젯방식 즉 열 전사 방식으로도 불리는 것으로 순간적인 고열로 잉크를 분사하는 방식 등이 사용되어 지고 있으며 현재는 비교적 작은 모형을 만드는 기계들이 출시되고 있으나 사용되는 소재는 극히 제한적이다.
산업 현장, 생활 속에서 필요한 제품을 쉽게 만들 수 있는 3D프린트가 상용화되어 효과적으로 사용되고 있으나, 금속, 세라믹을 사용할 수 없는 단점이 있었다. 금속이나, 세라믹의 복잡한 형상을 3D프린트로 쉽게 만들 수 있으면, 산업현장에서 매우 유용하게 사용할 수 있는바, 예를 들어 복잡한 형상의 금속으로 임펠러를 만들 때 종래에는 설계단계에서 5축 가공기로 깎아 만들 수 있으나, 단 품의 경우와 수량이 적을 때에는 5축 가공기도 유용하다. 그러나 그 수량이 많은 때에는 그 제조량과 가격을 맞출 수 없는 단점이 있는바, 제일 좋은 방법으로 정밀주조방식으로 만들 수 있으나 임펠러 모양의 왁스를 성형하는 금형이 필요하며 그 과정에 소요되는 기간이 약 30일 정도 소요되는 단점이 있다. 이때 3D프린트로 임펠러의 모양의 왁스를 성형할 수 있는 금형수단을 금속으로 만들 수 있으면, 바로 정밀 주조를 할 수 있기 때문에 그 소요되는 시간을 2?3일로 줄일 수 있어 산업현장에서 큰 장점을 가진다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 3D프린팅에서 제품을 만들어 내는 해당 소재를 금속소재, 세라믹소재로 하여 출력물이 금속, 또는, 세라믹으로 만들고자 함이다.
상기의 해결과제로 본 발명의 금속 분말을 적층하고 제품의 단면의 패턴에 따라 레이저 용접 방식의 용접을 하여 일체화하고, 반복적으로 금속분말을 한층 적층 적층하면서 용접하여 제품을 완성하는 방식의 3D인쇄에서는 레이저 용접으로 정밀하게 작업을 할 수 있어 고 정밀도의 작업을 할 수 있으며, 작업속도가 매우 빠른 장점을 가진다.
제품을 금속, 또는, 세라믹으로 만들기 때문에 실제 필요한 제품을 바로 만들 수 있는 장점을 가지며, 대량의 제품이 필요할 때는 제품을 만들지 않고 정밀주조에 필요한 왁스금형을 만들 수 있으며, 또는, 플라스틱 사출금형을 제작할 수 있고, 분말야금 금형을 만들 수도 있어, 바로 대량생산 채비를 할 수 있으며, 무엇보다 금속분말, 세라믹 분말을 나노의 크기로 만들고 적층 하는 높이를 나노의 크기로 하고 레이저 초점을 나노의 크기로 하면 초정밀 제품을 만들 수 있는 장점을 가지며, 각 분말소재를 한층 적재할 때 패턴에 따라 정밀하게 분사하는 시스템이 아니라 각 분말 소재를 한층 흩뿌린 다음 슬라이드 판으로 긁어내어 적정높이를 맞추는 것으로 그 속도가 대단히 빨라 정밀하면서도 빠른 작업으로 제품을 만들 수 있고, 각기 다른 분말 소재의 조합으로 복합 소재의 제품도 만들 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 금속 분말을 적층 레이저 용접식인쇄기(100)의 주요 부품 및 구조의 정면도.
도 2는 도 1에서 분말소재인쇄관(54)에서 분말을 인쇄하여 분말소재인쇄부(70)를 보인 것과, 분말소재인쇄부(70)를 분말소재높이조절판(56)으로 밀어 얻은 분말소재높이조절부(75)를 보인 도면.
도 3은 도 2에서 분말소재인쇄부(70), 분말소재높이조절부(75)를 확대하여 보인 도면.
도 4의 a는 본 발명의 설명에 필요한 제품(99)의 예시도면이며, b는 작업테이블(37)를 평면에서 도시하여 윗면(38)을 보인 도면.
도 5는 작업테이블(37)의 윗면(38)에 분말소재인쇄하고 분말소재높이조절판(56)을 밀어 얻은 분말소재높이조절부(75)를 보인 도면.
도 6은 도 5에서 분말소재가둠판(90),(93), (97)부를 용접하여 일체화하여 보인 도면.
이하 본 발명의 구성 및 실시예를 첨부된 도면에 따라서 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 금속 분말을 적층 레이저 용접식인쇄기(100)의 주요 부품 및 구조의 정면도이고, 도 2는 도 1에서 분말소재인쇄관(54)에서 분말을 인쇄하여 분말소재인쇄부(70)를 보인 것과, 분말소재인쇄부(70)를 분말소재높이조절판(56)으로 밀어 얻은 분말소재높이조절부(75)를 보인 간략 도면이며, 금속분말, 세라믹소재를 작업대위에 정밀하게 펼치고, 도면의 각 층의 패턴에 따라 레이저빔으로 용접을 하는 공정을 반복적으로 각 각의 층을 이어나가면 최종 완성된 제품을 얻는 수단이다. 작업테이블(37)이 있는 작업공간부(30)는 불활성 분위기나 진공분위기이어야 하기 때문에 챔버내에 구비되어야 한다. 작업테이블(37)에는 분말을 흩뿌리는 공정과 레이저용접을 하는 공정을 반복적으로 하는바, 용접되지 않는 부위는 분말로 적층이 되기 때문에 충격에 분말 층이 주저 않거나 흐트러질 수 있다. 따라서 작업테이블(37)을 X축, Y축, Z축으로 이송할 때 정지나, 스타트할 때에 충격을 줄 수 있기 때문에 프로그램으로 천천히 이송하게 되어야 하는데, 그러면 작업속도가 나오지 않는 단점이 있다. 따라서 본 발명의 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3D인쇄에서는 작업테이블(37)을 X축, Y축, Z축으로 이송시키지 않고 고정되며, 대신에 분말소재를 흩뿌려주는 분말소재인쇄관(54)이 Y축, Z축으로 이송되며, 분말소재높이조절판(56)도 Y축, Z축으로 움직이며 분말소재의 평탄화 작업을 한다. 분말소재인쇄관(54), 분말소재높이조절판(56)은 수직슬라이드수단(40)과 수평Y축가이드(50)에 슬라이드(52)와 조립되어 상하이송모터(49), Y축이송모터(59)로 이동한다. 레이저출력부(65)는 X축, Y축, Z축으로 이송되며, 수직슬라이드수단(40), 수평Y축가이드(60)에 슬라이드(62)로 조립되어 상하이송모터(49), Y축이송모터(69)로 이동된다. 분말소재인쇄관(54), 분말소재높이조절판(56), 레이저출력부(65)는 상하이송모터(49)로 일체로 움직인다. 분말소재인쇄관(54)은 작업테이블(37)의 X축의 길이에 해당되는 길이와 비슷한 길이를 가지며 그에 해당되는 스크루가 내부에 구비되고, 모터의 회전으로 스크루가 돌아가고 스크루의 각 이의 홈에 있는 분말이 이송되어 하단부로 개시된 구멍으로 분말이 정밀 공급된다. 분말소재높이조절판(56)의 길이는 작업테이블(37)의 X축의 길이에 해당하는 길이와 비슷하게 구비되며, 그 끝 부는 매우 정밀한 수평을 유지한다. 레이저출력부(65)는 때에 따라 X축으로도 이송되며, 만들고자 하는 제품이 작을 때는 레이저출력부(65)에서 반사경의 회전으로 X축을 컨트롤하면서 정확한 위치를 지정하며 용접하며, 제품이 클 때에는 X축으로 이송되며 위치를 찾아 용접한다. 즉 레이저출력부(65)는 X축가이드수단(63)의 제어를 받는다. 레이저출력부(65)에 공급되는 레이저 광원은 시스템공간부(10)에 구비된 레이저시스템에서 광섬유케이블로 연결될 수 있으며, 또는, 금속 분말을 적층 레이저 용접식인쇄기(100)와 별도로 구비된 레이저시스템의 몸체에서 광케이블로 연결된다. 작업테이블(37)에서 분말에 용접할 때 금속의 성질에 따라 산화될 수 있기 때문에 불활성 분위기나, 진공분위기를 만들고 작업한다. 도 2, 도 3에서 보는 바와 같이 분말소재인쇄관(54)로 작업테이블(37)의 윗면(38)에 분말소재를 흩뿌려 일정높이로 공급하고, 뒤에서 분말소재높이조절판(56)으로 긁어내며 목적하는 일정한 높이로 긁어 높이를 맞추며, 분말소재높이조절부(75)로 명칭 하였다. 분말소재인쇄관(54)에서 공급되는 분말소재인쇄부(70)의 높이는 분말소재높이조절부(75)보다 항상 높게 유지된다. 도 4의 제품(99)은 본 발명에서 설명하기 위한 물품의 도면이며, 제품(99)를 만들기 위한 예시로 설명한다. b는 작업테이블(37)에서 작업이 이루어지는 윗면(38)을 보인 도면이다. 도 5는 작업테이블(37)의 윗면(38)에 분말소재높이조절부(75)로 작업이 이루어진 것을 보인 도면이다. 도 6에서 설명한다. 작업테이블(37)의 윗면(38)에 분말소재높이조절부(75)로 작업 된 바닥 한 층의 중앙에서 제품(99)를 만들기 위한 패턴에 따라, 레이저출력부(65)에서 레이저를 출력하여 용접을 하여 패턴 범위에 있는 각 분말을 용해하여 일체화시키는 작업을 하여, 용접되는 제품용접부(97)와 용접이 되지 않는 분말소재높이조절부(75)로 경계가 나뉜다. 같은 작업을 반복적으로 하여, 각 계층 작업에서 전 층의 제품용접부(97)에 계속 분말을 인쇄하고 용접하는 방식으로 성장시켜 최종 제품을 만들게 된다. 그런데 제품용접부(97)의 성장되는 높이가 높아짐에 따라 다음 층의 분말소재높이조절부(75)에서 제품용접부(97)의 외부 경계 부에 분말 소재가 미끄러져서 자꾸 낮아지는 경향이 생겨 원하는 패턴으로 만들기가 불가능해지기 때문에 실제 작업을 할 때에는 제품 패턴인 제품용접부(97)의 외곽에 테두리의 분말소재가둠판(90)를 복수로 구비하며 용접하며 성장시키며 제품용접부(97)와 같은 높이로 작업을 해나간다. 만들고자 하는 제품(99)의 높이가 높을수록 분말소재가둠판(90)이 개수를 늘려서 작업을 하며, 각 분말소재가둠판(90)의 일측 내지는 많은 곳에 연결부(93)로 연결되는 용접을 하여 이어나가는 것이 유리하다. 각 분말소재가둠판(90)의 사이가 너무 멀면 용접 작업량이 많아지며, 너무 거리가 짧으면 기능을 다하지 못하게 되며, 바람직한 거리는 10mm의 정도가 좋다. 분말소재가둠판(90)의 각 사이에 분말 층이 형성되면서 제품용접부(97)에는 안정적으로 분말소재높이조절부(75)를 형성할 수 있어서 제품용접부(97)를 목적하는 형상으로 성장시킬 수 있다. 분말소재가둠판(90)의 모양은 본 발명에서 사각형으로 도시하였지만, 그 모양은 어떤 모양이든 상관없다. 즉 원형, 육각형을 비롯한 다각형의 모양을 할 수 있으며, 자유형태의 모양을 할 수 있고, 만들고자 하는 제품(99)의 모양을 형상을 가지는 것도 좋다. 상기 설명의 분말소재높이조절부(75)를 만들고 제품용접부(97)로 일체화하는 작업의 반복으로 최종적으로 제품(99)을 만들 수 있으며, 사용되는 분말의 입 도와 레이저의 초점의 크기에 따라 고정밀의 제품(99)을 만들 수 있다. 즉, 분말소재의 입 도가 10nm이며, 레이저의 초점이 10nm이면 만들 수 있는 정밀도는 10nm이므로 목적하는 정밀도를 가질 수 있으며, 이러한 작업은 큰 장점을 가진다. 즉, 분말소재가 금속으로 하면 정밀한 금속으로 된 제품을 만들 수 있고, 만약 제품을 성형할 수 있는 금형을 만들게 되면, 금형을 성형기계에 조립하여, 많은 수량의 제품을 성형할 수 있다. 성형은 정밀주조에 필요한 왁스금형이 될 수 있고, 플라스틱금형일 수 있으며, 실리콘금형, 분말 소결금형, 단조금형, 등 실제 산업현장에서 사용되는 모든 금형수단을 만들 수 있는 장점을 가진다. 현재 산업현장에서 정밀한 금형을 만들 때에 CNC의 와이어컷팅, 방전등의 기계들이 사용되고 있으나, 금형의 부분적인 가공을 하면서도 시간이 많이 소요되고, 가공비가 매우 고가이다. 그러한 공정들이 필요없이 바로 금형 본체를 만들 수 있고, 설계단계에서 바로 금형이 생산되기 때문에 산업화에 큰 장점을 가진다. 본 발명에서 언급한 분말소재는 모든 종류의 금속 분말이며, 유리, 사파이어, 실리콘 등을 포함한 모든 종류의 세라믹 분말이다. 분말소재를 복합적으로 배합하여 복합소재의 제품을 만들 수 있는 장점도 있다. 만들고자 하는 제품(99)의 정밀도에 따라 분말소재의 입도, 레이저의 초점을 선택하여 작업할 수 있는 장점도 가진다. 또한, 플라스틱의 분말 또한 작업이 가능하며, 이때에는 레이저의 파장을 달리하여 대응되어야 한다. 즉 소재와, 소재의 색깔, 투명도에 따라 레이저의 종류, 파장을 달리 선택하여 사용된다.
시스템공간부(10) 지지판(20)
작업공간부(30) 상판(31)
작업테이블(37) 윗면(38)
수직슬라이드수단(40) 슬라이드(42)
슬라이드(44) 상하이송모터(49)
수평Y축가이드(50)
슬라이드(52) 분말소재인쇄관(54)
분말소재높이조절판(56) Y축이송모터(59)
수평Y축가이드(60)
슬라이드(62) X축가이드수단(63)
레이저출력부(65) Y축이송모터(69)
분말소재인쇄부(70) 분말소재높이조절부(75)
분말소재가둠판(90) 연결부(93)
제품용접부(97) 제품(99)
금속 분말을 적층 레이저 용접식인쇄기(100)

Claims (9)

  1. 작업테이블(37)에 소재분말을 흩뿌려놓고 레이저 용접으로 원하는 3차원적인 모형을 만드는 방식에서,
    진공분위기인 진공챔버내에 작업테이블(37)을 X축, Y축, Z축으로 이송시키지 않고 고정되며, 대신에 분말소재를 흩뿌려주는 분말소재인쇄관(54)이 Y축, Z축으로 이송되며, 분말소재높이조절판(56)도 Y축, Z축으로 움직이며 분말소재의 평탄화 작업을 하고, 분말소재인쇄관(54), 분말소재높이조절판(56)은 수직슬라이드수단(40)과 수평Y축가이드(50)에 슬라이드(52)와 조립되어 상하이송모터(49), Y축이송모터(59)로 이동하며, 레이저출력부(65)는 X축, Y축, Z축으로 이송되며, 수직슬라이드수단(40), 수평Y축가이드(60)에 슬라이드(62)로 조립되어 상하이송모터(49), Y축이송모터(69)로 이동되는 되는 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄
  2. 제 1항에 있어서,
    작업테이블(37)의 작업공간이 불활성 분위기이며, 불활성 가스가 질소가스, 또는, 아르곤가스인 것으로 한 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄.
  3. 분말소재인쇄관(54)은 작업테이블(37)의 X축의 길이에 해당되는 길이와 비슷한 길이를 가지며 그에 해당되는 스크루가 내부에 구비되고, 모터의 회전으로 스크루가 돌아가고 스크루의 각 이의 홈에 있는 분말이 이송되어 하단부로 개시된 구멍으로 분말이 정밀 공급되며, 분말소재높이조절판(56)의 길이는 작업테이블(37)의 X축의 길이에 해당하는 길이와 비슷하게 구비되며, 그 끝 부는 매우 정밀한 수평을 유지한 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄.
  4. 레이저출력부(65)는 때에 따라 X축으로도 이송되며, 만들고자 하는 제품이 작을 때는 레이저출력부(65)에서 반사경의 회전으로 X축을 컨트롤하면서 정확한 위치를 지정하며 용접하며, 제품이 클 때에는 X축으로 이송되며 위치를 찾아 용접하며, 레이저출력부(65)는 X축가이드수단(63)의 제어를 받고, 레이저출력부(65)에 공급되는 레이저 광원은 시스템공간부(10)에 구비된 레이저시스템에서 광섬유케이블로 연결될 수 있으며, 또는, 금속 분말을 적층 레이저 용접식인쇄기(100)와 별도로 구비된 레이저시스템의 몸체에서 광케이블로 연결될 수 있는 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄.
  5. 분말소재인쇄관(54)로 작업테이블(37)의 윗면(38)에 분말소재를 흩뿌려 일정높이로 공급하고, 뒤에서 분말소재높이조절판(56)으로 긁어내며 목적하는 일정한 높이로 긁어 높이를 맞추며, 분말소재인쇄관(54)에서 공급되는 분말소재인쇄부(70)의 높이는 분말소재높이조절부(75)보다 항상 높게 유지되며, 작업테이블(37)의 윗면(38)에 분말소재높이조절부(75)로 작업 된 바닥 한 층의 중앙에서 제품(99)를 만들기 위한 패턴에 따라, 레이저출력부(65)에서 레이저를 출력하여 용접을 하여 패턴 범위에 있는 각 분말을 용해하여 일체화시키는 작업을 하여, 용접되는 제품용접부(97)와 용접이 되지 않는 분말소재높이조절부(75)로 경계가 나뉘며, 같은 작업을 반복적으로 하여, 각 계층 작업에서 전 층의 제품용접부(97)에 계속 분말을 인쇄하고 용접하는 방식으로 성장시켜 3차원 제품을 만드는 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄.
  6. 제품용접부(97)의 성장되는 높이가 높아짐에 따라 다음 층의 분말소재높이조절부(75)에서 제품용접부(97)의 외부 경계 부에 분말 소재가 미끄러져서 자꾸 낮아지는 경향이 생겨 원하는 패턴으로 만들기가 불가능해지기 때문에 실제 작업을 할 때에는 제품 패턴인 제품용접부(97)의 외곽에 테두리의 분말소재가둠판(90)를 복수로 구비하며 용접하며 성장시키며 제품용접부(97)와 같은 높이로 작업을 해나가며, 만들고자 하는 제품(99)의 높이가 높을수록 분말소재가둠판(90)이 개수를 늘려서 작업을 하며, 각 분말소재가둠판(90)의 일측 내지는 많은 곳에 연결부(93)로 연결되는 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄.
  7. 제 6항에 있어서,
    각 분말소재가둠판(90)의 사이가 너무 멀면 용접 작업량이 많아지며, 너무 거리가 짧으면 기능을 다하지 못하게 되며, 바람직한 거리는 10mm의 이내인 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄.
  8. 제 6항에 있어서,
    분말소재가둠판(90)의 모양은 다각형, 또는 원형, 또는 제품의 모양을 띤 자유형태로 만들 수 있는 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄.
  9. 분말소재가 각 금속분말, 또는 각 세라믹분말 소재, 또는 각 플라스틱소재인 금속 분말을 적층 레이저 용접 방식의 3차원인쇄.














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