KR20150116951A - Three-dimensional printer using gas metal arc welding - Google Patents

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KR20150116951A
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최하령
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한국프린티드일렉트로닉스연구조합
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Abstract

The present invention relates to a three-dimensional printer using a gas metal arc welding method using a metal wire electrode or a metal paste electrode. According to one embodiment of the present invention, the three-dimensional printer using the gas metal arc welding method is capable of using the metal wire electrode or the metal paste electrode material to expand a range of a material which can be used for a three-dimensional printing work in order to expand in the industry field of metal three-dimensional printing technique. More specifically, nozzles of various sizes can be used to improve accuracy of the printing process when the metal paste electrode material is used, and the present invention minimizes wastes of unnecessary electrode materials to be capable of printing a metal three-dimensional structure at low costs.

Description

가스 금속 아크 용접 방식의 ３Ｄ 프린터 {Three-dimensional printer using gas metal arc welding}[0001] The present invention relates to a three-dimensional printer using gas metal arc welding,

본 발명은 금속 3D 프린터에 관한 것으로, 구체적으로 금속 와이어 전극 또는 금속 페이스트 전극 소재를 이용한 가스 금속 아크 용접(Gas Metal Arc Welding: GMAW) 방식의 3D 프린터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal 3D printer, and more particularly, to a 3D metal-arc arc welding (GMAW) 3D printer using a metal wire electrode or a metal paste electrode material.

최근 전세계적으로 3D 프린팅에 대한 관심이 증가함에 따라 3D 프린팅 장비 및 재료, 공정에 관한 많은 연구 개발 및 사업화가 진행되고 있다. 대표적인 3D 프린팅 기술로는, 저점도 UV경화성 고분자 재료를 약 28um 높이로 분사하여 적층하는UV정밀 적층 방식과 지름 1.75mm의 열가소성 (thermoplastic) 필라멘트(filament)를 100-280℃ 온도에서 녹여 0.1-0.5mm 두께로 적층하는 Fused Deposition Modelling(FDM) 방식, Titanium 이나 Ti-alloy Powder와 같은 금속 파우더를 전자빔(electron beam)을 이용해 녹이고 적층함으로써 금속 3D 구조체를 형성하는 Electron Beam Melting(EBM) 방식이 있다. As the interest in 3D printing has increased in recent years, many R & D and commercialization of 3D printing equipment, materials, and processes are proceeding. Typical 3D printing technologies include UV precision lamination methods in which low-viscosity UV-curable polymer materials are sprayed at a height of about 28 μm and thermoplastic filaments of a diameter of 1.75 mm are melted at a temperature of 100 to 280 ° C to give 0.1-0.5 a fused deposition modeling (FDM) method in which a metal layer is formed by laminating a metal powder such as titanium or a Ti-alloy powder by using an electron beam, and forming a metal 3D structure by laminating the metal powder.

이들 중 현재 가장 많이 상용화된 분야는 FDM 방식이나, 프린팅 재료로 폴리머(polymer) 재료를 이용하기 때문에 실제적으로 실생활 및 산업 분야에 적용 가능한 응용제품 개발에는 한계가 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 금속 3D 프린팅을 위한 기술 개발이 진행되었으나, 종래 제안된 EBM방식의 금속 3D 프린팅 공정의 경우, 전자빔을 사용함에 따라 고가이며 부피가 큰 장비가 요구된다는 점, 최종 제품 구성에 소요되는 재료보다 공정 시 더욱 많은 양의 금속 파우더를 주입시켜야 한다는 점, 프린팅 작업 시간이 길다는 점 등의 문제점이 있었다.Among these, FDM is the most commercially available field, but polymer materials are used as a printing material. Therefore, there is a limit to the practical application of practical applications in real life and industrial fields. In order to overcome these disadvantages, development of technology for metal 3D printing has been progressed. However, in the case of the conventional proposed EBM type metal 3D printing process, expensive and bulky equipment is required due to the use of electron beam, There is a problem in that a larger amount of metal powder must be injected in the process than the material to be consumed, and that the printing operation time is long.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 금속 와이어 전극(metal wire electrode) 또는 금속 페이스트 전극(metal paste electrode) 소재를 이용한 GMAW 방식의 3D 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a GMAW type 3D printer using a metal wire electrode or a metal paste electrode material. .

또한, 3D 프린팅 장비 내 효과적인 열 배출 및 냉각을 위한 패키징(packaging) 시스템 및 냉각 시스템이 구비된 GMAW 방식의 3D 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a GMAW-type 3D printer provided with a packaging system and a cooling system for effective heat dissipation and cooling in a 3D printing apparatus.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 3D 프린터는, 용접 기판; 제작 대상 금속 3D 구조체의 형상에 따라 소모성 금속 전극을 상기 용접 기판으로 분사하는 금속 전극 분사부 및 상기 소모성 금속 전극에 대한 아크 용접 공정이 수행되는 공간으로 차폐 가스를 분사하는 차폐 가스 분사부를 포함하는 용접총; 상기 용접 기판 및 상기 금속 전극 분사부로 서로 다른 소정의 전압을 인가하기 위한 전원 공급부; 상기 소모성 금속 전극을 상기 금속 전극 분사부로 공급하는 재료 공급부; 및 상기 차폐 가스를 상기 차폐 가스 분사부로 공급하는 가스 공급부;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a metal 3D printer including: a welding substrate; A metal electrode spraying part for spraying the consumable metal electrode onto the welding substrate according to the shape of the metal 3D structure to be manufactured and a shielding gas spraying part for spraying the shielding gas into the space where the arc welding process is performed on the consumable metal electrode gun; A power supply unit for applying different predetermined voltages to the welding substrate and the metal electrode spraying unit; A material supply unit for supplying the consumable metal electrode to the metal electrode spray unit; And a gas supply unit for supplying the shielding gas to the shielding gas spraying unit.

상기 소모성 금속 전극으로 금속 와이어 전극이 사용되는 경우, 상기 금속 와이어 전극은 내부가 비어있는 형상 또는 복수의 기공이 포함된 형상일 수 있다.When the metal wire electrode is used as the consumable metal electrode, the metal wire electrode may have an empty shape or a shape including a plurality of pores.

상기 소모성 금속 전극은 금속 페이스트(paste) 전극일 수 있다.The consumable metal electrode may be a metal paste electrode.

상기 금속 페이스트 전극은 금속 재료와 세라믹 재료가 소정 비율로 혼합될 수 있다.The metal paste electrode may be mixed with a metal material and a ceramic material at a predetermined ratio.

상기 금속 전극 분사부는, 신축성 있는 소재의 노즐을 통해 상기 금속 페이스트 전극을 분사할 수 있다.The metal electrode jetting unit may jet the metal paste electrode through a nozzle of a stretchable material.

상기 금속 전극 분사부는, 상기 금속 페이스트 전극을 분사하기 위한 노즐이 탈부착 가능할 수 있다.The metal electrode jetting unit may be capable of attaching and detaching a nozzle for jetting the metal paste electrode.

상기 금속 페이스트 전극에는 복수의 기공이 형성될 수 있다.A plurality of pores may be formed in the metal paste electrode.

상기 기공에는 카본(carbon) 계열 고체 입자가 채워질 수 있다.The pores may be filled with carbon-based solid particles.

상기 기공에는 카본 계열 액체 환원제가 충진될 수 있다.The pores may be filled with a carbon-based liquid reducing agent.

상기 액체 환원제에는 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol)이 포함될 수 있다.The liquid reducing agent may include ethylene glycol.

상기 재료 공급부는, 상기 금속 페이스트 전극을 저장하기 위한 카트리지; 상기 카트리지로부터 제공받은 상기 금속 페이스트 전극을 스크류 회전을 통해 상기 금속 전극 분사부로 공급하는 스크류 가압 방식 압출기; 및 상기 압출기의 스크류를 회전시키기 위한 스텝 모터;를 포함할 수 있다.The material supply unit includes: a cartridge for storing the metal paste electrode; A screw press type extruder for supplying the metal paste electrode provided from the cartridge to the metal electrode spray part through screw rotation; And a step motor for rotating the screw of the extruder.

상기 차폐 가스는 아르곤(Ar) 또는 질소(N) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The shielding gas may include at least one of argon (Ar) and nitrogen (N).

상기 용접총은, 상기 금속 전극 분사부 및 상기 차폐 가스 분사부를 수평 및 수직으로 이동시키기 위한 구동 장치를 포함할 수 있다.The welding gun may include a driving device for horizontally and vertically moving the metal electrode spraying part and the shielding gas spraying part.

상기 용접 기판의 하측으로 구비되는 베이스 기판; 및 상기 베이스 기판을 냉각시키기 위해 상기 베이스 기판의 내부 또는 인접한 하측으로 소정의 냉각수 경로를 포함하는 냉각 장치를 더 포함할 수 있다.A base substrate provided below the welding substrate; And a cooling device including a predetermined cooling water path inside or adjacent to the base substrate for cooling the base substrate.

밀폐된 공간에서의 가스 금속 아크 용접 공정을 수행하기 위한 패키지를 더 포함할 수 있다.And a package for performing a gas metal arc welding process in an enclosed space.

상기 패키지의 하측면에는 가스 금속 아크 용접 공정에 의해 발생하는 열,스파크(spark) 또는 공기 중에 비산할 수 있는 용융 금속의 배출을 위해 외부와 연결되는 소정의 배출구가 하나 이상 형성될 수 있다.One or more predetermined outlets connected to the outside may be formed on the lower side of the package for discharging heat, sparks or molten metal which may be scattered in the air generated by the gas metal arc welding process.

상기 배출구는 흄후드(fume hood)에 연결될 수 있다.The outlet may be connected to a fume hood.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 금속 아크 용접 방식의 3D 프린터는, 금속 와이어 전극 또는 금속 페이스트 전극 소재를 이용할 수 있어 3D 프린팅 시에 활용 가능한 재료의 범위가 확장됨으로써 금속 3D 프린팅 기술의 산업 분야 확장에 기여할 수 있다. 특히, 금속 페이스트 전극 소재를 이용하는 경우에는 다양한 크기/굵기를 갖는 재료 분사용 노즐(nozzle)의 사용이 가능하여 프린팅 공정을 보다 정교하게 수행할 수 있음은 물론 불필요한 전극 소재의 낭비를 최소화하여 경제적인 측면에서도 우수하고, 프린팅 공정에 소요되는 시간 또한 단축된다.The 3D printer of the gas metal arc welding type according to an embodiment of the present invention can use a metal wire electrode or a metal paste electrode material to expand the range of materials available for 3D printing, . ≪ / RTI > Particularly, when a metal paste electrode material is used, it is possible to use a nozzle for material powder having various sizes / thicknesses, so that the printing process can be performed more precisely, and waste of unnecessary electrode materials can be minimized, And the time required for the printing process is also shortened.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 금속 아크 용접 방식의 3D 프린터는, 패키징 시스템 및 냉각 시스템을 구비하여 프린팅 작업 시에 발생하는 열을 효과적으로 냉각 및 배출시킬 수 있어 작업을 안정감 있게 지속적으로 수행할 수 있으며, 장소의 제한이 축소되어 그 활용도를 향상시킬 수 있다.In addition, the 3D metal-arc welding 3D printer according to an embodiment of the present invention includes a packaging system and a cooling system to efficiently cool and discharge heat generated during a printing operation, thereby continuously performing a stable operation The limitation of the place can be reduced and the utilization thereof can be improved.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GMAW 방식의 3D 프린터의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접총의 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기공이 형성된 금속 페이스트 전극을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 페이스트 전극을 사용하는 경우의 재료 공급부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 기판 측에 구비되는 냉각장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치의 냉각수 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 금속 아크 용접 공정을 밀폐된 공간에서 수행하기 위한 패키지를 나타내는 도면이다.The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a 3D printer of the GMAW scheme according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating the operation of a welding gun according to an embodiment of the present invention.
3 is a view illustrating a metal paste electrode having pores according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a material supply unit in the case of using a metal paste electrode according to an embodiment of the present invention.
5 is a view illustrating a cooling apparatus provided on a base substrate side according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a cooling water flow of a cooling device according to an embodiment of the present invention.
7 is a view showing a package for performing a gas metal arc welding process in an enclosed space according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.

본 발명은 가스 금속 아크 용접(Gas Metal Arc Welding: GMAW) 방식의 3D(three-dimension) 프린터에 관한 것으로, 여기서 가스 금속 아크 용접이란 소모성 금속 전극을 타켓 재료와 접촉시켜 직류전원에 의해 발생된 아크로 이를 녹이는 아크 용접 과정에서 차폐 가스를 분사하여 소모성 금속 전극의 산화를 방지하는 공정을 지칭하는 것으로, 상기 소모성 금속 전극으로는 구리 선 등 일반적인 금속 와이어 전극은 물론 고점성을 갖는 금속 페이스트(paste) 전극 소재가 사용될 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas-metal arc welding (GMAW) type three-dimensional (3-D) printer, wherein a gas metal arc welding is a process of contacting a consumable metal electrode with a target material, The consumable metal electrode may be a metal wire electrode such as a copper wire or the like, as well as a metal paste electrode having high viscosity, for example, Material can be used.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GMAW 방식의 3D 프린터의 구성을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a 3D printer of the GMAW scheme according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 GMAW 방식의 3D 프린터(100)는 용접 기판(110), 용접총(120), 전원 공급부(130), 재료 공급부(140) 및 가스 공급부(150)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a GMAW 3D printer 100 according to an embodiment of the present invention includes a welding substrate 110, a welding gun 120, a power supply unit 130, a material supply unit 140, and a gas supply unit 150).

용접 기판(110)은 제작 대상 3D 형상물을 적층하기 위한 것으로, 구체적으로 용접 기판(110)과 소모성 전극 재료는 서로 다른 전압이 인가된 상태에서 용접총(120) 또는 용접 기판(110)이 소정의 구동 장치에 의해 수평, 수직 이동하면서 상호 접촉하게 되면, 용접 기판(110)과 소모성 전극 재료간에는 전압차에 따른 전류가 흐르게 되는데 이때 발생되는 접촉 저항의 발열에 의해 소모성 전극 재료가 녹으면서 용접 기판(110) 상에 소정 형상의 3D 구조체가 적층될 수 있다.Specifically, the welding substrate 110 and the consumable electrode material are welded to each other by a welding gun 120 or a welding substrate 110 with predetermined voltages A current flows in accordance with a voltage difference between the welding substrate 110 and the consumable electrode material. When the consumable electrode material melts due to the generation of the contact resistance, 110 may have a 3D structure of a predetermined shape stacked thereon.

용접총(120)은 소모성 금속 전극 및 차폐 가스를 분사하기 위한 것으로, 구체적으로 상기 용접총(120)은 제작 대상 금속 3D 구조체의 형상에 따라 소모성 금속 전극을 상기 용접 기판(110)으로 분사하는 금속 전극 분사부(122) 및 상기 소모성 금속 전극에 대한 아크 용접 공정이 수행되는 공간으로 차폐 가스를 분사하는 차폐 가스 분사부(124)를 포함할 수 있다.The welding gun 120 is for spraying a consumable metal electrode and a shielding gas. Specifically, the welding gun 120 may be formed of a metal that sprays a consumable metal electrode onto the welding substrate 110 according to the shape of the metal 3D structure to be fabricated. An electrode spraying part 122 and a shielding gas spraying part 124 for spraying a shielding gas into a space where the arc welding process is performed on the consumable metal electrode.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접총의 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.2 is a diagram schematically illustrating the operation of a welding gun according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 용접총(120)의 금속 전극 분사부(122)는 용접 기판(110) 상에 소정 형상의 3D 구조체를 형성하기 위해 재료 공급부(140)로부터 소정의 연결 관을 통해 공급받은 소모성 금속 전극을 노즐을 통해 용접 기판(110)상에 분사하게 되는데, 이때 차폐 가스 분사부(124)는 공기 중의 오염물질로부터 용접 기판(110)을 격리시키기 위하여 가스 공급부(150)로부터 소정의 연결 관을 통해 공급받은 차폐 가스를 아크 용접이 수행되는 공간으로 분사할 수 있다.2, the metal electrode fissures 122 of the welding gun 120 are supplied from a material supply unit 140 through a predetermined connection pipe to form a 3D structure of a predetermined shape on the welding substrate 110 The shielding gas spraying unit 124 separates the welding substrate 110 from the contaminants in the air by supplying a predetermined connection from the gas supply unit 150 to the welding substrate 110. [ The shielding gas supplied through the pipe can be injected into the space where the arc welding is performed.

이를 위해 상기 차폐 가스 분사부(124)는 도 2에 나타낸 바와 같이 금속 전극 분사부(122)의 양 측면으로 인접하여 위치할 수 있으나 이러한 배치에 국한되는 것은 물론 아니며 아크 용접이 수행되는 공간으로 차폐 가스를 분사할 수 있는 적절한 위치에 다양한 형태로 배치될 수 있다. For this, the shielding gas spraying unit 124 may be positioned adjacent to both sides of the metal electrode spraying unit 122 as shown in FIG. 2, but it is not limited to this arrangement, And can be arranged in various forms at appropriate positions to inject gas.

이때, 상기 금속 전극 분사부(122)를 통해 용접 기판(110) 상에 분사되는 소모성 금속 전극은 금속 와이어 전극 또는 고점성의 금속 페이스트 전극일 수 있으며, 상기 차폐 가스 분사부(124)를 통해 아크 용접이 수행되는 공간으로 분사되는 차폐 가스는 활성 가스, 비활성 가스 또는 이산화탄소를 포함하는 가스일 수 있다.At this time, the consumable metal electrode injected onto the welding substrate 110 through the metal electrode injector 122 may be a metal wire electrode or a high viscosity metal paste electrode, and the arc welding The shielding gas injected into the space in which this is performed may be an active gas, an inert gas or a gas containing carbon dioxide.

한편, 상기 용접총(120)은 도 2에 별도 표시하지는 않았으나 용접 기판(110) 상에 목적에 부합하는 다양한 형상의 금속 3D 구조체를 제작하기 위하여 상기 금속 전극 분사부(122) 및 상기 차폐 가스 분사부(124)를 수평 및 수직으로 이동시키기 위한 소정의 X, Y, Z 축 구동 장치나 회전 구동 장치를 포함할 수 있다.2, in order to fabricate a metal 3D structure having various shapes corresponding to the purpose on the welding substrate 110, the welding gun 120 may be divided into the metal electrode spray part 122 and the shield gas And may include a predetermined X, Y, Z axis driving device or a rotation driving device for moving the yarn portion 124 horizontally and vertically.

전원 공급부(130)는 용접 기판(110)과 금속 전극 분사부(122)를 통해 분사되는 소모성 전극 재료에 소정 크기의 서로 다른 전압을 인가하기 위한 것으로, 상기 전원 공급부(130)를 통해 용접 기판(110)과 소모성 전극 재료에 서로 다른 전압이 인가된 상태에서 상호 접촉하게 되면, 전술한 바와 같이 소모성 전극 재료가 녹으면서 용접 기판(110) 상에 소정 형상으로 적층될 수 있는데, 이를 위해 상기 용접 기판(110)은 전원 공급부(130)로부터 전압이 인가될 수 있도록 소정의 전기 배선을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.The power supply unit 130 supplies different voltages of a predetermined magnitude to the consumable electrode material injected through the welding substrate 110 and the metal electrode spray unit 122. The power supply unit 130 supplies power to the welding substrate 110 and the consumable electrode material are mutually brought into contact with each other under different voltages, the consumable electrode material may be melted and laminated in a predetermined shape on the welding substrate 110 as described above. To this end, The power supply unit 110 may be electrically connected through a predetermined electric wiring so that a voltage may be applied from the power supply unit 130.

재료 공급부(140)는 용접총(120)의 금속 전극 분사부(122)로 소모성 금속 전극을 공급하기 위한 것으로, 재료 공급부(140)를 통해 금속 전극 분사부(122) 로 공급되는 소모성 금속 전극은 금속 와이어 전극 또는 고점성의 금속 페이스트 전극일 수 있다.The material supply unit 140 supplies the consumable metal electrode to the metal electrode spray unit 122 of the welding gun 120. The consumable metal electrode supplied to the metal electrode spray unit 122 through the material supply unit 140 A metal wire electrode or a high viscosity metal paste electrode.

상기 소모성 금속 전극으로 금속 와이어 전극을 사용하는 경우, 재료 공급부(140)의 내부에서 금속 와이어 전극이 산화되는 것을 방지를 위하여 상기 금속 와이어 전극은 가스 주입이 용이한 형태 예컨대, 속이 비어 있는 형상 또는 복수의 기공이 마련된 형상일 수 있고, 정교한 금속 3D 구조체를 제작하기 위해 바람직하게는 10um~10mm의 직경을 가질 수 있다. When the metal wire electrode is used as the consumable metal electrode, in order to prevent the metal wire electrode from being oxidized in the material supply unit 140, the metal wire electrode may have a shape easy to inject gas, for example, , And may have a diameter of preferably 10 [mu] m to 10 mm to produce a sophisticated metal 3D structure.

구체적으로, 상기 금속 와이어 전극은 복수의 기공이 마련된 속이 비어 있는 형상으로 제작됨을 통해 차폐 가스가 기공을 통하여 금속 와이어 전극의 외부 표면은 물론 내부까지 확산될 수 있고 이를 통해 금속 와이어 전극의 산화를 효과적으로 방지할 수 있다.Specifically, the metal wire electrode is formed in a hollow shape having a plurality of pores, so that the shielding gas can be diffused to the inside as well as the outer surface of the metal wire electrode through the pores, thereby effectively oxidizing the metal wire electrode .

그리고, 상기 금속 와이어 전극은 제작 대상 금속 3D 구조체의 사용 목적에 부합하도록 스테인레스 스틸, 금, 은, 구리, 티타늄, 철 등 다양한 종류의 금속을 포함한 소재일 수 있다.The metal wire electrode may be a material containing various metals such as stainless steel, gold, silver, copper, titanium, and iron to meet the purpose of use of the metal 3D structure to be fabricated.

상기 소모성 금속 전극으로 금속 페이스트 전극을 사용하는 경우, 상기 금속 페이스트 전극은 제작 대상 금속 3D 구조체의 사용 목적에 따라 다양한 재질로 제조될 수 있는 것으로 예컨대, 상기 금속 페이스트는 전기 전도성을 띄기 위한 소정의 금속 재료 및 내열성, 내산화성, 내마모성을 강화하기 위한 세라믹 재료를 소정 비율로 혼합한 재료일 수 있다.When the metal paste electrode is used as the consumable metal electrode, the metal paste electrode may be made of various materials according to the purpose of use of the metal 3D structure to be manufactured. For example, the metal paste may include a predetermined metal A material obtained by mixing ceramic materials at a predetermined ratio for enhancing heat resistance, oxidation resistance and abrasion resistance.

또한, 상기 소모성 금속 전극으로 금속 페이스트 전극을 사용하는 경우, 금속 페이스트 전극이 갖는 점성으로 인하여 상기 금속 전극 분사부(122)는 금속 페이스트 전극을 분사하기 위한 탈부착이 가능한 다양한 크기/굵기의 노즐을 사용하거나 굵기가 자유롭게 변할 수 있는 신축성 있는 소재의 노즐을 사용할 수 있다.In addition, when the metal paste electrode is used as the consumable metal electrode, the metal electrode spraying unit 122 may use nozzles of various sizes / thicknesses capable of being detachably attached for spraying the metal paste electrode due to the viscosity of the metal paste electrode Or a flexible material nozzle that can be freely varied in thickness can be used.

즉, 금속 페이스트 전극이 갖는 점성으로 인하여 그 분사량을 원활하게 조절할 수 있어 정교한 금속 3D 구조체를 제작할 수 있게 되며 불필요한 금속 재료의 낭비를 최소화할 수 있게 된다. 나아가 프린팅 공정에 소요되는 시간 또한 단축시킬 수 있게 된다.That is, due to the viscosity of the metal paste electrode, the amount of injection can be controlled smoothly, so that a sophisticated metal 3D structure can be manufactured and waste of unnecessary metal materials can be minimized. Furthermore, the time required for the printing process can be shortened.

또한, 금속 페이스트 전극은 산화 방지를 위하여 금속 입자들 사이에 복수의 기공이 형성될 수 있다.In addition, the metal paste electrode may have a plurality of pores formed between the metal particles to prevent oxidation.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기공이 형성된 금속 페이스트 전극을 나타내는 도면이다.3 is a view illustrating a metal paste electrode having pores according to an embodiment of the present invention.

구체적으로, 도 3의 (a)는 금속 페이스트 전극의 표면을 100배로 확대한 도면이고, 도 3의 (b)는 금속 페이스트 전극의 표면을 300배로 확대한 도면이며, 도 3의 (c)는 금속 페이스 전극의 표면을 3000배로 확대한 도면이다.3 (a) is an enlarged view of the surface of the metal paste electrode 100 times, FIG. 3 (b) is a view of enlarging the surface of the metal paste electrode 300 times, and FIG. 3 And the surface of the metal face electrode is enlarged 3000 times.

도 3의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 소모성 금속 전극으로 금속 페이스트 전극을 사용하는 경우, 금속 페이스트 전극의 산화를 방지하기 위하여 금속 페이스트 전극에 포함된 금속 입자들 사이에는 기공이 형성될 수 있다.3 (a) to 3 (c), when a metal paste electrode is used as a consumable metal electrode, pores are formed between metal particles contained in the metal paste electrode in order to prevent oxidation of the metal paste electrode .

바람직하게는, 상기 금속 페이스트 전극에 형성되는 기공에 흑연 등 카본(carbon) 계열 고체 입자를 채워 넣거나 또는 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol, HOCH2CH2OH)과 같은 카본 계열 액체 환원제를 충진하여 가스 금속 아크 용접 시에 금속이 산화되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.Preferably, the pores formed in the metal paste electrode are filled with carbon-based solid particles such as graphite or filled with a carbon-based liquid reducing agent such as ethylene glycol (HOCH 2 CH 2 OH) Can be effectively prevented from being oxidized.

구체적으로, 상기 금속 페이스트 전극에 형성되는 기공에 흑연 등 카본(carbon) 계열 고체 입자를 채워 넣은 경우, 가스 금속 아크 용접 시에 발생되는 열에 의하여 상기 카본 계열 고체 입자가 연소하면서 주면의 산소를 흡착함을 통해 금속 페이스트 전극이 산화되는 것을 방지할 수 있다.Specifically, when pores formed in the metal paste electrode are filled with carbon-based solid particles such as graphite, the carbon-based solid particles are burned by the heat generated in the arc welding of the gas metal, It is possible to prevent the metal paste electrode from being oxidized.

상기 금속 페이스트 전극에 형성되는 기공에 카본(carbon) 계열 액체 환원제 충진된 경우, 가스 아크 용접 시에 상기 카본 계열 액체 환원제는 화학 반응을 통해 주변의 산소를 소모함으로써 금속 페이스트 전극이 산화되는 것을 방지할 수 있다.When the carbonaceous liquid reducing agent is filled in the pores formed in the metal paste electrode, the carbonaceous liquid reducing agent consumes oxygen around the carbonaceous liquid reducing agent during gas arc welding, thereby preventing the metal paste electrode from being oxidized .

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 페이스트 전극을 사용하는 경우의 재료 공급부를 나타내는 도면이다.4 is a view showing a material supply unit in the case of using a metal paste electrode according to an embodiment of the present invention.

도 2 및 도4를 참조하면, 소모성 금속 전극으로 금속 페이스트 전극을 사용하는 경우, 재료 공급부(140)는 금속 페이스트 전극을 저장하기 위한 카트리지(142), 상기 카트리지(142)로부터 금속 페이스트 전극을 제공받고, 제공받은 금속 페이스트 전극을 스크류 회전을 통해 금속 전극 분사부(122)로 공급하는 스크류 가압 방식의 압출기(144) 및 상기 압출기(144)의 스크류를 회전시키기 위한 모터(146)을 포함할 수 있고, 상기 금속 전극 분사부(122)는 압출기(144)로부터 공급되는 금속 페이스트 전극을 소정 속도로 용접 기판(110) 상에 분사할 수 있다. 이때, 상기 모터(146)는 스텝 모터, 감속 기어 모터, 서보 모터 등 다양한 방식의 모터일 수 있다.2 and 4, when a metal paste electrode is used as a consumable metal electrode, the material supply unit 140 includes a cartridge 142 for storing a metal paste electrode, a metal paste electrode provided from the cartridge 142 And a motor 146 for rotating the screw of the extruder 144. The screw extruder 144 may be a screw extruder that feeds the supplied metal paste electrode to the metal electrode injector 122 through screw rotation, And the metal electrode spraying part 122 can spray the metal paste electrode supplied from the extruder 144 onto the welding substrate 110 at a predetermined speed. At this time, the motor 146 may be a motor of various types such as a step motor, a reduction gear motor, and a servo motor.

가스 공급부(150)는 용접총(120)의 차폐 가스 분사부(124)와 연결된 소정의 관 또는 호스를 통해 차폐 가스를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 가스 공급부(150)는 소정의 차폐 가스를 저장하는 가스 탱크를 포함할 수 있다. 이때, 상기 차폐 가스는 아크 용접을 통해 제작되는 금속 3D 구조체와의 반응성이 작은 가스 예컨대, 아르곤(Ar) 또는 질소(N)를 포함한 가스일 수 있다.The gas supply unit 150 is provided to supply the shielding gas through a predetermined pipe or hose connected to the shielding gas spraying unit 124 of the welding gun 120. To this end, the gas supply unit 150 stores a predetermined shielding gas And a gas tank. At this time, the shielding gas may be a gas including a gas such as argon (Ar) or nitrogen (N), which has a low reactivity with a metal 3D structure manufactured through arc welding.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 금속 아크 용접 방식의 금속 3D 프린터(100)는 제작 대상 3D 구조체의 크기가 다양할 수 있다는 점 및 제작된 3D 구조체와 용접 기판(110)이 상호 접합될 수 있다는 점에 착안하여 용접 기판(110)을 소모용/일회용의 다양한 크기와 형태로 제작하되, 위 용접 기판(110)을 이와 별도로 마련되는 고정용 베이스 기판의 상부에 부착하여 금속 3D 프린팅 공정을 효과적으로 수행할 수 있다.Meanwhile, the metal 3D printer 100 of the gas metal arc welding type according to an embodiment of the present invention may have various sizes of the 3D structure to be manufactured, and that the manufactured 3D structure and the welding substrate 110 are bonded to each other It is possible to manufacture the welding substrate 110 in various sizes and shapes for consuming / disposing, and attaching the upper welding substrate 110 to the upper portion of the fixing base substrate provided separately to perform the metal 3D printing process Can be effectively performed.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 금속 아크 용접 방식의 금속 3D 프린터(100)는 가스 금속 아크 용접 공정에서 발생하는 고온의 열, 스파크(spark)에 의해 베이스 기판이 손상되는 것을 방지하기 위하여 베이스 기판의 내부 또는 인접한 하측으로 소정의 냉각수 경로를 갖는 냉각장치를 더 포함하여 구현할 수 있다.At this time, the metal 3D printer 100 of the gas metal arc welding type according to an embodiment of the present invention is used in order to prevent the base substrate from being damaged by sparks of high temperature generated in the gas metal arc welding process And a cooling device having a predetermined cooling water path to the inside of the base substrate or the adjacent lower side thereof.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 기판 측에 구비되는 냉각장치를 나타내는 도면이다.5 is a view illustrating a cooling apparatus provided on a base substrate side according to an embodiment of the present invention.

도 5에서 나타낸 바와 같이, 제작 대상 3D 구조체의 형상에 따라 다양한 사이즈로 제작될 수 있는 용접 기판(110)의 하측에는 베이스 기판(160)이 구비될 수 있고, 가스 금속 아크 용접 공정에서 발생하는 열에 의해 베이스 기판(160)이 손상되는 것을 방지하기 위해 베이스 기판(160)의 내부 또는 인접한 하측으로 소정의 냉각수 경로를 갖는 냉각장치(170)가 구비될 수 있다.As shown in FIG. 5, the base substrate 160 may be provided under the welding substrate 110, which may be manufactured in various sizes depending on the shape of the 3D structure to be manufactured. A cooling device 170 having a predetermined cooling water path to the inside or adjacent the lower side of the base substrate 160 may be provided to prevent the base substrate 160 from being damaged.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치의 냉각수 흐름을 나타내는 도면이다.6 is a view showing a cooling water flow of a cooling device according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 냉각장치(170)는 냉각수를 베이스 기판(160)의 내부 또는 인접한 하측에 마련된 소정의 경로로 흐르게 하여 가스 금속 아크 용접 공정에서 발생하는 열로 인해 가열된 베이스 기판(160)을 냉각시키게 되는데, 이때 제작 대상 3D 구조체의 크기에 따라 가스 금속 아크 용접 공정이 베이스 기판(160)의 일부는 물론 전체에서 수행될 수 있다는 점에 착안하여 상기 냉각수의 유동 경로는 베이스 기판(160) 전체를 냉각시킬 수 있도록 마련될 수 있는 것으로, 예컨대 도 5에서 나타낸 바와 같이 냉각수의 유동 경로는 베이스 기판(160)의 좌우 길이를 고려한 지그재그 형태일 수 있다.Referring to FIG. 6, the cooling device 170 allows the cooling water to flow in a predetermined path provided inside or adjacent to the base substrate 160, so that the base substrate 160 heated due to the heat generated in the gas metal arc welding process The flow path of the cooling water may be divided into the entirety of the base substrate 160 and the entire surface of the base substrate 160. In this case, For example, as shown in FIG. 5, the flow path of the cooling water may be a zigzag shape in consideration of the left and right lengths of the base substrate 160.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 금속 아크 용접 방식의 금속 3D 프린터(100)는 가스 금속 아크 용접 공정에서 발생하는 고온의 열, 스파크(spark), 가스, 공기 중에 비산할 수 있는 용융 금속의 배출로 인하여 금속 3D 프린팅 공정을 수행하기 위한 장소적 제한이 크게 따른다는 점 및 사용자에게 화상 등 피해가 발생할 수 있다는 점에 착안하여 가스 금속 아크 용접 공정의 수행을 밀폐된 공간에서 수행하기 위한 패키지(package)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the metal 3D printer 100 of a gas metal arc welding type according to an embodiment of the present invention can be used for a high-temperature heat, a spark, a gas generated in a gas metal arc welding process, a molten metal It is possible to prevent damage to an image and the like to the user, so that a gas metal arc welding process can be carried out in a closed space, and may further include a package.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 금속 아크 용접 공정을 밀폐된 공간에서 수행하기 위한 패키지를 나타내는 도면이다.7 is a view showing a package for performing a gas metal arc welding process in an enclosed space according to an embodiment of the present invention.

도 7에 나타낸 바와 같이, 용접총(120)은 제작 대상 3D 구조체의 형상에 따라 X, Y, Z축 구동장치에 의해 수평/수직 이동하며 베이스 기판(160) 상에 배치되는 용접 기판(110)으로 소모성 금속 전극을 분사하여 가스 금속 아크 용접 공정을 수행하게 되는데, 이러한 가스 금속 아크 용접 과정에서 발생하는 고온의 열, 스파크, 가스 및 공기 중에 비산할 수 잇는 용융 금속의 배출로 인한 장소적 제한 및 사용자의 피해를 최소화하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 금속 아크 용접 방식의 금속 3 D 프린터는 가스 금속 아크 용접 공정의 수행을 밀폐된 공간에서 수행하기 위해 가스 금속 아크 용접이 수행되는 공간을 둘러싸는 형상의 패키지(180)를 더 포함할 수 있다.7, the welding gun 120 includes a welding substrate 110, which is horizontally / vertically moved by the X, Y, and Z-axis driving devices and disposed on the base substrate 160 according to the shape of the 3D structure to be fabricated, And a gas metal arc welding process is performed by spraying the consumable metal electrode. The gas metal arc welding process has a limitation on the location due to the discharge of molten metal which can be scattered in the heat, spark, In order to minimize the damage of the user, the metal 3-D printer of the gas metal arc welding type according to an embodiment of the present invention includes a space in which the gas metal arc welding is performed to perform the gas metal arc welding process in an airtight space And may further include a package 180 of a surrounding shape.

이때, 상기 패키지(180)의 하측으로는 가스 금속 아크 용접 공정에서 발생하는 고온의 열, 스파크, 가스 및 공기 중에 비산할 수 있는 용융 금속을 배출하기 위해 외부와 연결된 하나 이상의 배출구(182)가 형성될 수 있으며, 상기 배출구(182)에 의해 패키지(180) 내 공기 유동 흐름이 아래 방향으로 유도됨으로써 안정적/지속적인 가스 금속 아크 용접 공정이 가능할 수 있고 또한 열로 인한 프린팅 장비의 손상을 방지할 수 있다.At this time, at the lower side of the package 180, one or more outlets 182 connected to the outside are formed to discharge molten metal that can be scattered in the hot heat, spark, gas and air generated in the gas metal arc welding process And the air flow in the package 180 is directed downwardly by the outlet 182 to enable a stable / continuous gas metal arc welding process and also to prevent damage to the printing equipment due to heat.

이때, 상기 배출구(182)를 외부의 흄후드(fume hood)와 연결하여 공기 유동 흐름을 보다 원활하게 제어할 수 있다.At this time, the discharge port 182 may be connected to an external fume hood to control the air flow more smoothly.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.

Claims (17)

용접 기판;
제작 대상 금속 3D 구조체의 형상에 따라 소모성 금속 전극을 상기 용접 기판으로 분사하는 금속 전극 분사부 및 상기 소모성 금속 전극에 대한 아크 용접 공정이 수행되는 공간으로 차폐 가스를 분사하는 차폐 가스 분사부를 포함하는 용접총;
상기 용접 기판 및 상기 금속 전극 분사부로 서로 다른 소정의 전압을 인가하기 위한 전원 공급부;
상기 소모성 금속 전극을 상기 금속 전극 분사부로 공급하는 재료 공급부; 및
상기 차폐 가스를 상기 차폐 가스 분사부로 공급하는 가스 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.Welding substrate;
A metal electrode spraying part for spraying the consumable metal electrode onto the welding substrate according to the shape of the metal 3D structure to be manufactured and a shielding gas spraying part for spraying the shielding gas into the space where the arc welding process is performed on the consumable metal electrode gun;
A power supply unit for applying different predetermined voltages to the welding substrate and the metal electrode spraying unit;
A material supply unit for supplying the consumable metal electrode to the metal electrode spray unit; And
And a gas supply part for supplying the shielding gas to the shielding gas spray part. 제 1항에 있어서,
상기 소모성 금속 전극으로 금속 와이어 전극이 사용되는 경우,
상기 금속 와이어 전극은 내부가 비어있는 형상 또는 복수의 기공이 포함된 형상인 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.The method according to claim 1,
When the metal wire electrode is used as the consumable metal electrode,
Wherein the metal wire electrode is a shape having an inside void or a shape including a plurality of pores. 제 1항에 있어서,
상기 소모성 금속 전극은 금속 페이스트(paste) 전극인 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.The method according to claim 1,
Wherein the consumable metal electrode is a metal paste electrode. 제 3항에 있어서,
상기 금속 페이스트 전극은 금속 재료와 세라믹 재료가 소정 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.The method of claim 3,
Wherein the metal paste electrode comprises a metal material and a ceramic material mixed at a predetermined ratio. 제 3항에 있어서,
상기 금속 전극 분사부는,
신축성 있는 소재의 노즐을 통해 상기 금속 페이스트 전극을 분사하는 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.The method of claim 3,
The metal electrode-
And the metal paste electrode is sprayed through a nozzle of a stretchable material. 제 3항에 있어서,
상기 금속 전극 분사부는,
상기 금속 페이스트 전극을 분사하기 위한 노즐이 탈부착 가능한 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.The method of claim 3,
The metal electrode-
And a nozzle for spraying the metal paste electrode is detachably attached to the metal 3D electrode. 제 3항에 있어서,
상기 금속 페이스트 전극에는 복수의 기공이 형성된 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.The method of claim 3,
And a plurality of pores are formed in the metal paste electrode. 제 7항에 있어서,
상기 기공에는 카본(carbon) 계열 고체 입자가 채워진 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.8. The method of claim 7,
Wherein the pores are filled with carbon-based solid particles. 제 7항에 있어서,
상기 기공에는 카본 계열 액체 환원제가 충진된 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.8. The method of claim 7,
Wherein the pores are filled with a carbon-based liquid reducing agent. 제 9항에 있어서,
상기 액체 환원제에는 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol)이 포함된 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.10. The method of claim 9,
Wherein the liquid reducing agent includes ethylene glycol. 제 3항에 있어서,
상기 재료 공급부는,
상기 금속 페이스트 전극을 저장하기 위한 카트리지;
상기 카트리지로부터 제공받은 상기 금속 페이스트 전극을 스크류 회전을 통해 상기 금속 전극 분사부로 공급하는 스크류 가압 방식 압출기; 및
상기 압출기의 스크류를 회전시키기 위한 스텝 모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.The method of claim 3,
Wherein the material supply unit includes:
A cartridge for storing the metal paste electrode;
A screw press type extruder for supplying the metal paste electrode provided from the cartridge to the metal electrode spray part through screw rotation; And
And a step motor for rotating the screw of the extruder. 제 1항에 있어서,
상기 차폐 가스는 아르곤(Ar) 또는 질소(N) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.The method according to claim 1,
Wherein the shielding gas comprises at least one of argon (Ar) and nitrogen (N). 제 1항에 있어서,
상기 용접총은,
상기 금속 전극 분사부 및 상기 차폐 가스 분사부를 수평 및 수직으로 이동시키기 위한 구동 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.The method according to claim 1,
The welding gun includes:
And a driving device for moving the metal electrode spraying part and the shielding gas spraying part horizontally and vertically. 제 1항에 있어서,
상기 용접 기판의 하측으로 구비되는 베이스 기판; 및
상기 베이스 기판을 냉각시키기 위해 상기 베이스 기판의 내부 또는 인접한 하측으로 소정의 냉각수 경로를 포함하는 냉각 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.The method according to claim 1,
A base substrate provided below the welding substrate; And
Further comprising a cooling device including a predetermined cooling water path inside or adjacent to the base substrate to cool the base substrate. 제 1항에 있어서,
밀폐된 공간에서의 가스 금속 아크 용접 공정을 수행하기 위한 패키지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.The method according to claim 1,
Further comprising a package for performing a gas metal arc welding process in an enclosed space. 제 15항에 있어서,
상기 패키지의 하측면에는 가스 금속 아크 용접 공정에 의해 발생하는 열,스파크(spark) 또는 공기 중에 비산할 수 있는 용융 금속의 배출을 위해 외부와 연결되는 소정의 배출구가 하나 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.16. The method of claim 15,
The lower side of the package is formed with one or more predetermined outlets connected to the outside for discharging heat, sparks or molten metal that can be scattered in the air generated by the gas metal arc welding process Metal 3D printer. 제 16항에 있어서,
상기 배출구는 흄후드(fume hood)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 3D 프린터.17. The method of claim 16,
And the outlet is connected to a fume hood.
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