석출 경화 제어가 가능한 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법

본 발명은 석출 경화 제어가 가능한 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법에 관한 것으로, 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법에 있어서, (i) 3D 프린팅의 공정변수를 설정하는 단계; (ii) 금속분말을 공급하는 단계; (iii) 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융시키는 단계; (iv) 상기 용융된 금속분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 금속소재의 하나의 레이어를 형성하는 단계; (v) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (ii)~(iv)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (i)단계에서의 설정된 공정변수에 의해 제어되어 상기 (iv)단계에서의 레이어 내부에서 미세하고 균일한 석출물의 석출을 유도하여 석출 경화시켜 상기 금속소재의 강도를 강화시키는 것을 특징으로 하는 석출 경화 제어가 가능한 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법을 제공한다.

청구범위
청구항 1
금속의 모재상 내부에 미세하고 균일한 분포의 2차상의 입자를 석출, 형성하여 석출상 주위에서 형성되는 격자변형에 의해 전위의 이동이 억제되어 금속의 강도, 경도를 향상시키는 석출경화 제어가 가능한 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법에 있어서,(i) 금속분말에 가해지는 에너지의 양과 조사시간이 변화되도록 3D 프린팅의 공정변수인 레이어의 두께, 스캔속도, 전류밀도 및 예열온도 중 하나 이상을 설정하는 단계;(ii) 금속분말을 공급하되, 상기 금속분말은 공급되는 티타늄분말에 대응하여 유동성을 갖되, 용융이 일어날 수있도록 10㎛ ~ 150 ㎛의 평균 입자크기를 가지는 단계;(iii) 3D 프린팅에 사용되는 조형광원의 고에너지를 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융시키는 단계;(iv) 상기 용융된 금속분말을 추가적인 열처리 없이 급속으로 냉각 및 고화함으로써 나노급의 미세한 석출물이정입계 상에 석출되도록 유도하여 상기 금속소재의 하나의 레이어를 형성하는 단계;(v) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (ii) 내지 (iv)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고,상기 (i) 단계는, 설정된 공정변수를 제어하고, 제어된 공정변수에 따라 석출되는 석출물의 크기를 결정하며,상기 (iii) 단계는, 상기 (i) 단계에서 결정된 상기 석출물의 크기 및 강도를 갖도록 상기 공정변수를 설정하여상기 고에너지의 에너지량과 조사시간을 제어하며,상기 (iv) 단계는, 상기 (i) 단계에서 결정된 석출물의 크기에 따라, 상기 레이어 내부에서 빠른 냉각속도에 의해 형성되는 미세하고 균일한 석출물의 석출을 유도하여 석출 경화시켜, 석출 경화된 상기 석출물의 크기에 따라 상기 금속소재의 강도를 강화시키며,상기 금속분말은 티타늄 및 0 초과 0.3 중량% 미만의 철을 포함하며, 상기 석출물은 FeTi 석출물이고,상기 스캔속도는 공급되는 티타늄분말에 대응하여 기설정된 만큼 상기 티타늄의 용융이 일어나되, 상기 철과 상기 티타늄이 결합한 상기 FeTi 석출물이 조대화되지 않도록 1000mm/s ~ 3000mm/s로 제어되고,상기 전류밀도는 공급되는 티타늄분말에 대응하여 석출 경화 효과를 발생시키는 온도에 도달하도록 5 ~ 15mA로제어되고,기 (iv) 단계에서 형성된 상기 레이어의 두께는 공급되는 티타늄분말에 대응하여 표면과 내부간에 균일한 석출물을 형성하기 위해 50㎛ 내지 200㎛로 제어되고,상기 FeTi 석출물의 평균 크기는 50nm ~ 300nm가 되도록 제어되어 석출물의 조대화를 방지하고 석출물 주위의격자변형을 확보함으로써 강도를 향상시키며,상기 FeTi 석출물의 개수는 10000㎛2당 포함되는 석출물의 개수 기준으로, 가장 큰 평균 크기인 300nm 의 FeTi석출물이 50개 이상 내지 가장 작은 평균 크기인 50nm FeTi 석출물이 10000㎛2에 가득 채워지는 4×106개 이하로 제어되어 석출 경화가 일어나도록 하고,상기 금속분말의 입체 조형물의 인장강도는 700MPa ~ 1GPa가 되도록 제어되고,상기 (ii) 단계와 상기 (iii) 단계의 사이에 공급된 상기 금속분말을 예열하는 단계를 더 포함하며,상기 예열온도는, 상기 티타늄이 상기 조형광원에 의해 조사되기 전에 미리 용융 및 고화되지 않되, 제조된 상기 입체 조형물에 균열이 발생하지 않도록 상기 입체 조형물에 잔존하는 잔류응력이 100MPa 이하가 되게 하기위해, 550~650℃ 로 제어되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법.
청구항 2
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청구항 3
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청구항 4
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청구항 5
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청구항 6
청구항 1에 있어서,상기 3D 프린팅 방식은 파우더 베드에 조형광원을 조사하여 용융 및 적층하는 방식 또는 조형광원으로 재료를직접 용융 및 적층하는 방식인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법.
청구항 7
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청구항 8
청구항 1에 있어서,상기 조형광원은 전자빔 또는 레이저인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법.
청구항 9
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청구항 10
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청구항 11
청구항 1의 방법으로 제조된 고강도 금속소재의 입체 조형물.
발명의 설명
기 술 분 야
본 발명은 석출 경화 제어가 가능한 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 [0001] 입체 조형방법에 관한 것으로, 더욱상세하게는 3D 프린팅 기술을 이용하여 금속소재 입체 조형물을 제조하는 과정에서 공정변수를 제어하여 나노석출물의 석출을 유도하여 석출경화에 의한 강도의 향상을 얻을 수 있는 3D 프린팅 공정 제어 방법을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법에 관한 것이다.
배 경 기 술
[0002] 기존의 금속소재 제품을 제조하는 방법으로는 금속 소재를 높은 온도로 가열하여 용융시켜 액체 상태의 금속을금형에 주입하여 응고시키는 주조 방식이 주로 사용되었다. 최근에 복잡한 형상을 가지는 입체 조형물을 제조하는 방법으로 3D 프린팅 제조방식이 알려져 있다. 3D 프린팅을 이용하여 금속소재 제품을 제조하는 대표적인 방식으로 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Direct Energy Deposition) 방식이 알려져 있다. PBF 방식은 분말공급장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수십 μm의 금속분말층을 도포하고 조형광원으로 레이저 또는전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후 한 층씩 용융시켜 금속분말을 서로 결합시켜 쌓아 올라가는 방이다. DED 방식은 보호가스 분위기에서 금속분말을 실시간으로 공급, 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시용융되어 금속분말을 용융 적층해 나가는 방식이다. PBF 방식이 비교적 정밀하고 형상자유도 구현에 유리하다는장점이 있다. 3D 프린팅 방식은 여러 개선되어야 할 점들이 있지만, 기존의 금형을 이용하여 만들기 어려운 중공형 등의 복잡하고 정밀한 형상을 가지는 제품을 직접 제조할 수 있고, 스크랩의 소재 손실도 없으며 기계가공등의 후공정을 대폭 생략할 수 있기 때문에, 환자맞춤형 인공관절 부품, 우주항공 부품 등을 포함하여 일반 산업용 부품 등 다양한 분야에 기술의 활용도가 점차 증가하고 있는 추세이다.
한편, 생체의료용으로 인체에 삽입 가능한 금속소재로는 순수 티타늄과 알루미늄([0003] Al)과 바나듐(V)이 각각 6%와4% 첨가된 티타늄합금(Ti-6A-4V)이 있다. 그러나 바나듐은 대표적인 독성원소로 알려져 있으며, 알루미늄(Al)은알츠하이머 질병을 유발시키는 주요 원인으로 알려져 있어 티타늄 합금 사용 자체에 대한 문제가 수십 년 전부터 제기되어 왔다. 이를 대체할 소재로써 다른 합금원소가 첨가되지 않은 순수 티타늄(Ti)이 있다. 순수 티타늄은 생체접합성이 좋을 뿐 아니라, 내부식성이 우수하고 생체에 무해하며 인체에 사용하는 금속들 중 제일 가볍다는 장점이 있으나, 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.
[0004] 이러한 금속소재의 강도를 강화시키는 방법으로 금속소재 제품 제조공정 이후에 강소성 가공, 고용체 강화, 결정립 미세화, 석출경화, 가공경화 등이 존재한다. 이중에서 석출경화는 금속의 모재상 내부에 미세하고 균일한분포의 2차상의 입자를 석출, 형성하여 석출상 주위에서 형성되는 격자 변형에 의해 전위의 이동이 억제되어 금속의 강도, 경도를 향상시키는 방법이다.
[0005] 미국 등록특허 제 8454768호(발명의 명칭: Near-beta titanium alloy for high strength applications andmethods for manufacturing the same, 이하 종래기술 1이라 한다.) 에서는, 중량 백분율로, 5.3~5.7의 알루미늄, 4.8~5.2의 바나듐, 0.7~0.9의 철, 4.6~5.3의 몰리브덴, 2.0~2.5의 크롬, 및 0.12~0.16의 산소와 함께, N,C, Nb, zn, Zr, Ni, Co, Cu, 및 Si에서 선택되는 하나 또는 복수의 추가 원소 및 잔여 중량%의 티탄을 함유하는티탄합금으로서, 각 추가 원소가 각각 0.1%미만의 양으로 존재해, 추가 원소의 총 함유량이 0.5 중량%미만인 티탄합금이 개시되어 있다.
선행기술문헌
특허문헌
[0006] (특허문헌 0001) US 8454768 B2
발명의 내용
해결하려는 과제
[0007] 종래기술 1은 석출경화를 포함하는 고강도의 티타늄 합금에 관하여 개시하고 있으나, 티타늄 합금 제조를 위해용해, 단조, 압연, 용체화 열처리, 석출경화 등 복잡한 과정을 통해 제조하여 시간, 경제적 손실이 있다는 제1문제점, 석출경화를 이용하고 있지만, 기존의 용해, 단조, 압연 등의 고온의 공정을 거치기 때문에 석출상의 조대화가 진행되어 석출경화 효과가 거의 없을 거라는 제2 문제점, 상기 티타늄 합금은 알루미늄, 바나듐을 포함는 합금으로 생체의료용 재료로 사용시에 부적합하다는 제3 문제점을 갖는다.
[0008] 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게이해될 수 있을 것이다.
과제의 해결 수단
[0009] 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법에 있어서, (i) 3D 프린팅의 공정변수를 설정하는 단계; (ii) 금속분말을 공급하는 단계; (iii) 3D 프린팅에 사용되는조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융시키는 단계; (iv) 상기 용융된 금속분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 금속소재의 하나의 레이어를 형성하는 단계; (v) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지상기 (ii)~(iv)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (i)단계에서의 설정된 공정변수에 의해 제어되어 상기 (iv)단계에서의 레이어 내부에서 미세하고 균일한 석출물의 석출을 유도하여 석출 경화시켜 상기 금속소재의 강도를 강화시키는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법을 제공한다.
또한, 상기 공정변수는 스캔속도 및 [0010] 전류밀도 중 하나 이상일 수 있다.
[0011] 또한, 상기 스캔속도는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다.
[0012] 또한, 상기 전류밀도는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다.
[0013] 또한, 상기 (ii)단계와 상기 (iii)단계의 사이에 공급된 상기 금속분말을 예열하는 단계; 를 더 포함할 수있다.
[0014] 또한, 상기 공정변수에는 예열온도가 더 포함되고, 상기 예열온도는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다.
[0015] 또한, 상기 3D 프린팅 방식은 파우더 베드에 조형광원을 조사하여 용융 및 적층하는 방식 또는 조형광원으로 재료를 직접 용융 및 적층하는 방식일 수 있다.
[0016] 또한, 상기 금속소재는 Al, Ti, Cu, Ni, Fe, Co, Cr, Si로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수있다.
[0017] 또한, 상기 (ii)단계에서 공급되는 금속분말의 평균 입자크기는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다.
[0018] 또한, 상기 공정변수에는 상기 (iv)단계에서 형성되는 레이어의 두께가 더 포함되고, 상기 레이어의 두께는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다.
[0019] 또한, 상기 조형광원은 전자빔 또는 레이저일 수 있다.
[0020] 또한, 본 발명은 3D 프린팅을 이용한 고강도 순수 티타늄(Ti)의 입체 조형방법에 있어서, (a) 3D 프린팅의 공정변수를 설정하는 단계; (b) 순수 티타늄분말을 공급하는 단계; (c) 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 순수 티타늄분말을 용융시키는 단계; (d) 상기 용융된 순수 티타늄분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 순수 티타늄의 하나의 레이어를 형성하는 단계; (e) 순수 티타늄의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기(a)~(d)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 순수 티타늄은 소량의 철(Fe) 및 기타불순물을 포함하고, 상기 (a)단계에서의 설정된 공정변수에 의해 제어되어 상기 (d)단계에서의 레이어 내부에서미세하고 균일한 FeTi석출물의 석출을 유도하여 석출 경화시켜 상기 순수 티타늄의 강도를 강화시키는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 고강도 순수 티타늄의 입체 조형방법을 제공한다.
[0021] 또한, 상기 (a)단계에서의 공정변수는 스캔속도 및 전류밀도 중 하나 이상일 수 있다.
[0022] 또한, 상기 스캔속도는 1000mm/s ~ 3000mm/s일 수 있다.
[0023] 또한, 상기 전류밀도는 5 ~ 15mA일 수 있다.
[0024] 또한, 상기 (b)단계와 상기 (c)단계의 사이에 공급된 상기 순수 티타늄분말을 예열하는 단계; 를 더 포함할 수있다.
[0025] 또한, 상기 공정변수에는 예열온도가 더 포함되고, 상기 예열온도는 550~650℃ 일 수 있다.
[0026] 또한, 상기 석출물의 평균 크기는 50nm ~ 300nm가 되도록 제어될 수 있다.또한, 상기 석출물의 개수는 10000 μm2

[0027] 당 50개 이상 석출되도록 제어될 수 있다.
[0028] 또한, 상기 (b)단계에서 공급되는 순수 티타늄분말의 평균 입자크기는 10μm ~ 150 μm일 수 있다.
[0029] 또한, 상기 공정변수에는 상기 (d)단계에서 형성되는 레이어의 두께가 더 포함되고, 상기 레이어의 두께는 50μm 내지 200μm일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 방법으로 제조된 고강도 [0030] 금속소재의 입체 조형물을 제공한다.
[0031] 또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 방법으로 제조된 고강도 순수 티타늄의 입체 조형물을 제공한다.
[0032] 또한, 상기 고강도 순수 티타늄의 입체 조형물의 인장강도는 700MPa ~ 1GPa일 수 있다.
발명의 효과
[0033] 본 발명에 따른 석출 경화 제어가 가능한 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법은 종래기술에비해 3D 프린팅 기술을 이용하여 공정이 간소화되어 시간, 경제적인 손실이 없다는 제1 효과, 3D 프린팅의 공정변수를 제어하여 미세하고 균일한 석출상의 석출 유도로 석출 경화하여 금속 소재의 강도를 향상시킬 수 있어추가적인 열처리가 필요 없다는 제2 효 과, 독성합금원소 없이 순수 티타늄을 이용하여 소재의 강도를 향상시켜생체재료 부품 등 많은 분야에 활용할 수 있다는 제3 효과를 갖는다.
[0034] 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면의 간단한 설명
[0035] 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 금속소재 입체 조형물의 결정입계에서 나노 석출상이 석출된 것을나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 확대된 전자현미경 사진이다.
도 4는 고강도 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 FeTi석출물의 크기에 따른 강도의 변화를 나타내는 응력-변형률곡선(Stress-Strain Curve) 그래프이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
[0036] 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
[0037] 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
[0038] 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서,"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
[0039] 이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
[0040] 본 발명은 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법에 있어서, (i) 3D 프린팅의 공정변수를 설정하는 단계; (ii) 금속분말을 공급하는 단계; (iii) 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기금속분말을 용융시키는 단계; (iv) 상기 용융된 금속분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 금속소재의 하나의 레이어를 형성하는 단계; (v) 상기 금속소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 (ii)~(iv)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (i)단계에서의 설정된 공정변수에 의해 제어되어 상기 (v)단계에서의레이어 내부에서 미세하고 균일한 석출물의 석출을 유도하여 석출 경화시켜 상기 금속소재의 강도를 강화시키는것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법을 제공한다.
[0041] 3D 프린터를 이용하여 금속소재 입체 조형물을 제조하는 대표적인 방식으로 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과DED(Direct Energy Deposition) 방식이 있다. PBF 방식은 분말공급장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에수십μm의 금속분말층을 도포하고 조형광원으로 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후한 층씩 용융시켜 금속분말을 서로 결합시켜 쌓아 올라가는 방식이다. 유사한 원리의 방식으로 SLM(SelectiveLaser Melting), SLS(Selective Laser Sintering) 등이 있다. DED 방식은 보호가스 분위기에서 금속분말을 실시간으로 공급, 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시 용융되어 금속분말을 용융 적층해 나가는 방식이다. 유사한 방식으로 DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 등이 있다. PBF 방식이 비교적 정밀하고 형상자유도 구현 유리하다는 장점이 있다. 조형광원의 종류로는 레이저와 전자빔이 있는데, 레이저는 전자빔과 비교했을 때,레이저광의 조사 에너지가 낮고, 용융 고화하여 형성되는 금속소재 레이어의 적층 피치를 두껍게 하는 것이 곤란하고, 적층 조형에 필요로 하는 조형시간 소모가 높은 문제점이 있다.
본 발명이 적용될 수 있는 3D 프린팅 방식은 PBF와 같은 파우더 베드에 조형광원을 [0042] 조사하여 용융 및 적층하는방식 또는 DED 와 같은 조형광원으로 재료를 직접 용융 및 적층하는 방식에 모두 가능하나 이에 한정되지는 않는다. 다만 PBF 방식이 보다 바람직하다. 상기 조형광원으로는 레이저와 전자빔 모두 가능하지만, 전자빔을 사용하는 전자빔용해방식(Electron Beam Melting, EBM)이 보다 바람직하다.
[0043] 이하 본 발명에 따른 3D 프린팅을 이용한 금속소재의 입체 조형방법의 각 단계별로 상술하는 방식으로 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
[0044] 첫째, 3D 프린팅의 공정변수를 설정한다.
[0045] 제조하고자 하는 입체 조형물의 3D CAD 데이터를 참조하여 요구되는 강도에 맞추어 3D 프린팅의 공정변수를 설정한다. 상기 공정변수는 스캔속도 및 전류밀도 중 하나 이상일 수 있다. 스캔속도와 전류밀도는 3D 프린팅에용되는 금속소재를 용융시키는 조형광원에 대한 공정변수로, 스캔속도는 조형광원이 금속소재에 조사되는 속도로 초당 조사되는 길이로 나타낸다. 스캔속도가 느릴수록, 전류밀도가 높을수록 금속소재에 가해지는 에너지는 증가하게 된다. 후술하듯이 상기 스캔속도와 전류밀도 값에 따른 조형광원의 조사가 이루어져 금속소재에 국소적으로 고에너지가 가해지게 되고, 이에 따라 금속소재가 순간적으로 용융되었다가 다시 급속으로 냉각, 고화되면서 석출경화가 일어난다.
[0046] 상기 스캔속도는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 상기 스캔속도가 너무 낮은 경우, 금속소재에 조사되는 시간이 길어지면서 고온에서 용융되는 시간도 증가하여 석출물이 조대화 되어 석출경화 효과가 거의 없을 수 있다. 스캔속도가 너무 높은 경우, 지나치게 금속소재에 조사되는 시간이 짧아져서 금속소재의용융이 불충분할 수 있다.
[0047] 또한, 상기 전류밀도도 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 전류밀도가 너무 낮으면 조사되는 에너지가 적어서 석출경화 효과가 일어날 만큼의 고온에 도달하기 어려울 수 있다. 전류밀도가 너무 높으면과도한 에너지 주입으로 인해 제조비용 상승의 요인이 된다.
[0048] 둘째, 3D 프린터에 입체 조형물의 재료가 되는 금속분말을 공급한다.
[0049] 상기 금속소재는 3D 프린터에서 활용 가능한 Al, Ti, Cu, Ni, Fe, Co, Cr, Si 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 티타늄(Ti) 합금, 철(Fe) 합금, 인코넬(Inconel) 합금, 니켈-크롬(Ni-Cr) 합금 또는 코발트-크롬(Co-Cr) 합금도 선택될 수 있다. 또한, 상기 분말의 평균 입자크기는 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 평균 입자크기가 너무 작은 경우, 금속분말의 유동성이 저하할 우려가 있고, 평균 입자크기가 너무 큰 경우, 금속분말의 용융이 불충분할 수 있다.
[0050] PBF방식의 경우에는 상기 공급되는 금속소재가 3D 프린터의 플랫폼에 도포되어 금속분말층을 형성하고, 첫째 단계에서 설정되는 공정변수에는 상기 분말층의 두께가 더 포함될 수 있다. 상기 분말층의 두께는 공급되는 상기금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 상기 분말층의 두께가 너무 두꺼우면 표면과 내부간에 균일한 나노 석출물의 형성이 어려울 수 있고, 두께가 너무 얇으면 잦은 적층으로 제조비용과 시간이 증가하게 된다.
[0051] 셋째 및 넷째, 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 금속분말을 용융시킨 다음, 바로 냉각 및 고화시켜 상기 금속소재의 하나의 레이어를 형성한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속소재 입체 조형물의 결정입계에서 [0052] 나노석출상이 석출된 것을 나타낸 개략도이다. 도 1을 참조하면 조형광원이 조사하는 고에너지에 의해 금속소재 분말이 용융, 소결되고 바로 급속으로 냉각, 고화되면서 나노급의 미세한 석출물이 결정입계 상에 석출되도록 유도된다. 3D 프린팅 기술을 이용하는 경우, 고온에서 급속히 응고되는 과정 중에 석출물이 빠른 냉각속도에 의해 미세하고 균일하게 석출된다. 이때 첫째 단계에서 설정된 공정변수에 따라 상기 금속소재에 가해지는 에너지양과 조사시간 등이 변화하면서 석출물의 크기와 그에 따른 금속소재의 강도도 변화하게 된다. 석출 경화는 시효시간의 증가에 따라 강도가 증가하다가 감소하고, 고온일수록 가속화되는 경향이 있다. 따라서 금속소재에 조사되는 에너지양이 클수록 더 높은온도에서 용융되었다가 급냉하므로 더 미세한 석출물이 석출되고, 조사시간이 길어질수록 석출물의 크기가 성장하여 조대화되어 석출 경화 효과가 거의 일어나지 않을 수 있다.
[0053] 둘째 단계에서의 분말층 대신에 상기 레이어의 두께를 공정변수로 설정하여 제어할 수 있다. 상기 레이어의 두께도 또한 공급되는 상기 금속소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 상기 레이어의 두께가 너무 두꺼우면 표면과내부간에 균일한 나노 석출물의 형성이 어려울 수 있고, 두께가 너무 얇으면 잦은 적층으로 제조비용과 시간이증가하게 된다.
[0054] 전자빔을 조형광원으로 하는 PBF 방식의 경우, 셋째 단계 전에 전자빔의 조사를 위해3D 프린터 장치 내부를 감압하는 단계를 포함할 수 있다. 감압은 적합하게는 1×10-4torr 이하로 유지될 수 있다.
[0055] 또한, 본 셋째 단계 이전에 공급된 상기 금속분말을 예열하는 단계를 더 포함할 수 있다. PBF방식의 경우 3D 프린터의 플랫폼에 도포되어 형성되는 금속분말층을 미리 예열한다. 적층성형 전에 미리 분말층을 예열함으로써,금속분말의 용융, 응고로 인해 발생하는 금속소재 제품 내부의 잔류응력을 저하시키기 위함이다. 예열수단은 특별히 제한되지 않으며 조형광원을 조사해서 예열하는 것도 가능하다.
[0056] 또한, 상기 공정변수에는 예열온도가 더 포함될 수 있어서, 제작하고자 하는 금속소재 입체 조형물의 요구되는강도에 맞추어 첫째 단계에서 예열온도도 설정할 수 있다. 예열온도의 범위는 공급되는 상기 금속소재의 종류에따라 결정될 수 있다. 예열온도가 낮은 경우 3D 프린팅 공정에서 발생하는 잔류응력이 증가하고 이로 인하여 입체 조형물 내부에 균열이 발생할 수 있다. 예열온도가 높은 경우에는 상기 금속분말이 조사 전에 미리 용융, 고화할 우려가 있다.
[0057] 다섯째, 금속소재 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 둘째 내지 넷째 단계를 반복하여 적층한다. 예를 들어 PBF방식의 경우에는 3D 프린터의 플랫폼을 상기 생성된 하나의 레이어의 두께만큼 하강시켜서 그 위에 다시 금속분말을 공급하여 분말층을 형성하여 상기 단계가 반복될 수 있게 한다. 이러한 단계를 거쳐 원하는 강도를 갖춘고강도 금속소재 입체 조형물을 제조한다.
[0058] 종래 금속소재 제품의 제조기술은 용해, 응고, 소성가공, 재결정, 시효처리 등 복잡한 과정을 통해 제조하였다.
3D 프린팅 기술에 의할 경우 전자빔, 레이저와 같은 조형광원의 고에너지 조사에 의해 용해부터 소성가공 단계까지가 포함될 수 있다. 그리고 공지되어 있는 일반적인 석출경화 방법은 금속소재에 대해 용체화 열처리와 석출 열처리를 거쳐서 석출물이 석출되어 강도, 경도 등을 강화시킨다. 본 발명은 상기 스캔속도와 전류밀도 같은3D 프린팅의 공정변수를 제어하여 금속소재 내에 미세한 석출상을 유도하여 추가적인 열처리가 필요 없게 되므로 공정이 단축되고 이에 따른 시간과 비용이 절감된다는 효과를 갖는다.
[0059] 또한 구체적으로, 본 발명은 3D 프린팅을 이용한 고강도 순수 티타늄(Ti)의 입체 조형방법에 있어서, (a) 3D 프린팅의 공정변수를 설정하는 단계; ; (b) 순수 티타늄분말을 공급하는 단계; (c) 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 순수 티타늄분말을 용융시키는 단계; (d) 상기 용융된 순수 티타늄분말을 냉각및 고화함으로써 상기 순수 티타늄의 하나의 레이어를 형성하는 단계; (e) 순수 티타늄의 입체 조형물이 완성될때까지 상기 (b)~(d)단계를 반복하여 적층하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 순수 티타늄은 소량의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함하고, 상기 (a)단계에서의 설정된 공정변수에 의해 제어되어 상기 (d)단계에서의 레어 내부에서 미세하고 균일한 FeTi석출물의 석출을 유도하여 석출 경화시켜 상기 순수 티타늄의 강도를 강화시키는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 고강도 순수 티타늄의 입체 조형방법을 제공한다.
이하 본 발명에 따른 3D 프린팅을 이용한 순수 티타늄의 입체 조형방법의 각 [0060] 단계별로 상술하는 방식으로 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
[0061] 첫째, 3D 프린팅의 공정변수를 설정한다.
[0062] 상기 공정변수는 스캔속도 및 전류밀도 중 하나 이상일 수 있다.
[0063] 상기 스캔속도는 1000mm/s ~ 3000mm/s 일 수 있다. 스캔속도가 1000mm/s 미만의 경우, 순수 티타늄에 조사되는시간이 길어지면서 고온에서 용융되는 시간도 증가하여 불순물인 철과 티타늄이 결합한 FeTi석출물이 조대화 되어 석출경화 효과가 거의 없을 수 있다. 스캔속도가 3000mm/s 초과의 경우, 지나치게 순수 티타늄에 조사되는시간이 짧아져서 순수 티타늄의 용융이 불충분할 수 있다.
[0064] 또한, 상기 전류밀도는 5~15mA 일 수 있다. 전류밀도가 5mA 미만이면 조사되는 에너지가 적어서 석출경화 효과가 일어날 만큼의 고온에 도달하기 어려울 수 있다. 전류밀도가 15mA 초과하면 과도한 에너지 주입으로 인해 제조비용 상승의 요인이 된다.
[0065] 둘째, 3D 프린터에 입체 조형물의 재료가 되는 순수 티타늄분말을 공급한다.
[0066] 상기 순수 티타늄은 석출상을 이루는 소량의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함할 수 있다. 상기 순수 티타늄에 포함되는 철의 함량은 FeTi 석출물을 형성할 수 있는 정도라면 크게 제한되지 않는다. 예를 들어 ASTM Grade 2 티타늄의 경우 0.3중량% 미만의 철을 포함하는 순수 티타늄이다. 또한, 상기 분말의 평균 입자크기는 10 ~ 150μm일 수 있다. 평균 입자크기가 10 μm 미만인 경우, 금속분말의 유동성이 저하할 우려가 있고, 150μm를 초과하는 경우, 금속분말의 용융이 불충분할 수 있다.
[0067] PBF 방식의 경우 첫째 단계에서 설정되는 공정변수에는 3D 프린터의 플랫폼에 도포되어 형성되는 순수 티타늄분말층의 두께가 더 포함될 수 있다. 상기 순수 티타늄분말은 플랫폼 상에 50 내지 200μm 두께의 분말층으로 공급될 수 있다. 상기 분말층의 두께가 200μm를 초과하면 표면과 내부간에 균일한 나노 석출물의 형성이 어려울수 있고, 두께가 50μm 미만이면 잦은 적층으로 제조비용과 시간이 증가하게 된다.
[0068] 셋째 및 넷째, 3D 프린팅에 사용되는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 순수 티타늄분말을 용융시킨 다음,냉각 및 고화시켜 상기 순수 티타늄의 하나의 레이어를 형성한다.
[0069] 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 전자현미경 사진이고, 도 3은 본 발명의일 실시예에 따른 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 확대된 전자현미경 사진이다. 도 2와 도 3을 참조하면, 조형광원이 조사하는 고에너지에 의해 순수 티타늄 분말이 용융되고 바로 급속으로 냉각 및 고화되면서 나노급의 미세한 석출물이 결정입계 상에 석출되도록 유도된다. 도 2 및 도 3에서 순수 티타늄의 결정입계 사이에 하얗게나타나는 부분이 FeTi석출상이다. 3D 프린팅 기술을 이용하는 경우, 고온에서 급속히 응고되는 과정 중에 석출상이 빠른 냉각속도에 의해 미세하고 균일하게 석출된다. 이때 첫째 단계에서 설정된 공정변수에 따라 상기 순수 티타늄에 가해지는 에너지의 양과 조사시간 등이 변화하면서 FeTi 석출상의 크기와 그에 따른 순수 티타늄의강도도 변화하게 된다.
[0070] 상기 석출물의 평균 크기는 50nm ~ 300nm가 되도록 제어될 수 있다. 상기 석출물의 평균 크기가 300nm를 초과하는 경우 석출물의 조대화로 석출물 주위의 격자 변형이 줄어들어 전위의 이동을 효과적으로 제지하지 못하여 강도가 향상되는 효과가 거의 없게 된다. 또한, 상기 석출물의 개수는 10000 μm2당 50개 이상 석출되도록 제어될수 있다. 50개 미만이 석출되는 경우, 너무 적은 석출상의 개수로 인하여 충분한 석출경화 효과를 기대할 수 없다.
[0071] 둘째 단계에서의 분말층 대신에 상기 레이어의 두께를 공정변수로 설정하여 제어할 수 있다. 상기 레이어의 두께는50 내지 200μm 일 수 있다. 상기 레이어의 두께가 200μm를 초과하면 표면과 내부간에 균일한 나노 석출물의 형성이 어려울 수 있고, 두께가 50μm 미만이면 잦은 적층으로 제조비용과 시간이 증가하게 된다.
[0072] 전자빔을 조형광원으로 하는 PBF 방식의 경우, 셋째 단계 전에 전자빔의 조사를 위해 3D 프린터 장치 내부를 감압하는 단계를 포함할 수 있다. 감압은 적합하게는 1×10-4torr 이하로 유지될 수 있다.
[0073] 또한, 본 셋째 단계 이전에 공급된 상기 순수 티타늄분말을 예열하는 단계를 더 포함할 수 있다. PBF방식의 경우 3D 프린터의 플랫폼에 도포되어 형성되는 순수 티타늄분말층을 미리 예열한다. 적층성형 전에 미리 분말층을예열함으로써, 순수 티타늄분말의 용융, 응고로 인해 발생하는 금속소재 제품 내부의 잔류응력을 저하시키기 위함이다. 예열수단은 특별히 제한되지 않으며 조형광원을 조사해서 예열하는 것도 가능하다.
또한, 상기 공정변수에는 예열온도가 더 포함될 수 있어서, 제작하고자 하는 [0074] 순수 티타늄 입체 조형물의 요구되는 강도에 맞추어 첫째 단계에서 예열온도도 설정할 수 있다. 예열온도의 범위는 550~650℃ 일 수 있고, 예열온도가 550℃ 보다 낮은 경우 3D 프린터를 이용해 제조된 순수 티타늄 입체 조형물에 잔존하는 잔류응력에 의해균열이 발생할 수 있다. 잔존하는 잔류응력은 100MPa 이하임이 바람직하다. 예열온도가 650℃보다 높은 경우에는 상기 순수 티타늄이 조사 전에 미리 용융, 고화할 우려가 있다.
[0075] 다섯째, 순수 티타늄의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 둘째 내지 넷째 단계를 반복하여 적층한다. 예를 들어 PBF 방식의 경우에는 3D 프린터의 플랫폼을 상기 생성된 하나의 레이어의 두께만큼 하강시켜서 그 위에 다시순수 티타늄분말층을 형성하여 상기 단계가 반복될 수 있게 한다. 이러한 단계를 거쳐 원하는 강도를 갖춘 고강도 순수 티타늄의 입체 조형물을 제조한다.
[0076] 순수 티타늄의 입체 조형물에서 3D 프린팅의 공정변수 제어를 통해서 상기와 같은 미세한 석출상을 유도한경우, 800MPa 이상의 인장강도를 나타내어, 기존의 순수 티타늄의 인장강도(340~434MPa)와 비교하면 2배 이상의인장강도를 확보할 수 있어, 고강도가 필요한 생체의료용, 항공우주용 부품, 차량용 소재 등에 활용 가능할 수있다.
[0077] 또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 고강도 금속소재의 입체 조형방법으로 제조된 고강도 금속소재의 입체 조형물을 제공한다.
[0078] 또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 고강도 순수 티타늄의 입체 조형방법으로 제조된 고강도 순수 티타늄의입체 조형물을 제공한다.
[0079] 또한, 상기 고강도 순수 티타늄의 입체 조형물의 인장강도는 700MPa ~ 1GPa일 수 있다. 상기 본 발명에 따라 제조된 순수 티타늄 입체 조형물은 기존의 티타늄 합금의 인장강도와 유사한 강도를 지녀서 기존의 티타늄 합금을대체하여 생체 의료 부품에 활용될 수 있다.
[0080] 이하, 본 발명에 대한 실시예를 기재한다. 다만, 하기 실시예들에 의해서 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[0081] [실시예 1]
[0082] 전자빔을 조형광원으로 하는 3D 프린터 장치(ARCAM사 제품)의 플랫폼상에 평균 입경 40μm의 순수 티타늄 분말(ASTM Grade 2 규격)을 도포하여 100μm 두께의 분말층을 형성하였다. 다음으로 내부를 1×10-4torr 이하로 감압하여 유지하는 상태에서 상기 분말층을 600℃ 온도로 예열하였다. 상기 순수 티타늄분말층에 전자빔(전압60kV)을 스캔속도 500mm/s, 전류밀도 2mA의 조건에서 3차원 CAD데이터에 기초하여 조사하여 용융 후 냉각 및 고화시켜 하나의 순수 티타늄 레이어를 형성하였다.
[0083] 그 후, 레이어 두께만큼 플랫폼을 하강한 다음 순수 티타늄 분말을 다시 공급하여 새롭게 분말층을 형성한다음, 상기와 동일한 조건으로 예열 한 다음에 전자빔을 조사하여 용융 후 냉각 및 고화시켜 새로 순수 티타늄레이어를 형성하였다.
[0084] 상기 분말층을 형성하는 공정, 예열하는 공정, 전자빔을 조사하여 용융시키는 공정, 상기 분말층을 냉각 및 고화시켜 레이어를 형성하는 공정을 반복 수행하여 고강도 순수 티타늄의 입체 조형물을 제조하였다.
[0085] [실시예 2]
[0086] 전류밀도가 5mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[0087] [실시예 3]
[0088] 스캔속도가 1000mm/s, 예열온도가 550℃ 인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[0089] [실시예 4]
[0090] 스캔속도가 1000mm/s, 전류밀도가 5mA, 예열온도가 550℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[0091] [실시예 5]
[0092] 스캔속도가 1000mm/s, 전류밀도가 6mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[0093] [실시예 6]
[0094] 스캔속도가 1500mm/s, 전류밀도가 5mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[0095] [실시예 7]
[0096] 스캔속도가 1500mm/s, 전류밀도가 6mA, 예열온도가 550℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[0097] [실시예 8]
[0098] 스캔속도가 1500mm/s, 전류밀도가 10mA, 예열온도가 550℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[0099] [실시예 9]
[0100] 스캔속도가 3000mm/s, 전류밀도가 8mA인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[0101] [실시예 10]
[0102] 스캔속도가 3000mm/s, 전류밀도가 12mA, 예열온도가 550℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[0103] [실시예 11]
[0104] 스캔속도가 3000mm/s, 전류밀도가 15mA, 예열온도가 550℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
[0105] [물성 평가]
[0106] 상기 실시예에 의해 제조된 순수 티타늄의 입체 조형물들의 석출상 크기를 측정하여 그 결과를 표 1로 나타내었다.표 1
[0107]
상기 결과를 살펴보면, 상기 실시예의 석출상 크기는 전류밀도가 증가함에 [0108] 따라 감소한다. 반대로 스캔속도는빨라질수록 석출상의 크기가 감소한다. 따라서 조사되는 에너지양은 많고 조사시간은 짧을수록 석출상의 크기가미세해지는 것을 확인할 수 있다. 예열온도의 경우에는 대체적으로 예열온도의 값이 작을수록 석출상의 크기가감소했다.
[0109] 그리고 일반적인 주조 공정에 의해 제조된 순수 티타늄 소재 입체 조형물과 실시예 4 및 실시예 11의 인장강도를 비교하여 그 결과를 도 4의 그래프에 나타내었다. 도 4는 순수 티타늄 소재 입체 조형물의 FeTi석출물의 크기에 따른 강도의 차이를 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 일반적 주조 공정에 의해 제조된 순수 티타늄소재 입체 조형물은 약 400MPa의 인장강도를 갖지만 FeTi 석출물의 크기가 5μm인 실시예 4의 경우 인장강도가약 550MPa로 소폭 증가하였고, 석출물의 크기가 0.2μm인 실시예 11의 경우 인장강도가 약 800MPa로 증가하였음을 확인할 수 있다.
[0110] 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
[0111] 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
【심사관 직권보정사항】
【직권보정 1】
【보정항목】청구범위
【보정세부항목】청구항 제1항의 마지막 단락
【변경전】
상기 순수 티타늄이 상기 조형광원에
【변경후】
상기 티타늄이 상기 조형광원에