KR101626542B1 - 3차원 메탈프린터용 금속분말 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속분말을 토너로 사용하는 3차원 메탈프린터용 금속분말에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말은 중량%로 Cr 8∼10%, Si 1.8∼2.5%, C 0.25∼0.35%, Mn 2∼3%와 잔부가 Fe로 구성되는 것이 특징인 3차원 메탈프린터용 금속분말에 관한 것이다.
본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말에 의해 제조된 전단금형은 종래의 전단금형에 비해 내마모성과 내식성 및 내열성이 우수하며, 또한 작업 후 제품표면이 매끄럽고 경도가 우수하여 지속적인 작업이 가능하며, 생산량의 증대에도 현저한 효과가 있다.

Description

3차원 메탈프린터용 금속분말{Metal poeder for three dimensional metal-print}

본 발명은 금속분말을 토너로 사용하는 3차원 메탈프린터용 금속분말에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 더욱 상세하게는 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말은 중량%로 Cr 8∼10%, Si 1.8∼2.5%, C 0.25∼0.35%, Mn 2∼3%와 잔부가 Fe로 구성되는 것이 특징인 3차원 메탈프린터용 금속분말에 관한 것이다.

일반적으로 프레스 금형의 가공방법은 크게 성형 및 굽힘 가공과 전단가공으로 나눌 수 있으며, 전단금형이란 펀치(Punch)와 다이(die) 사이에 소재를 넣고 펀치에 힘을 가하면 펀치가 소재를 눌러 소재를 특정형상으로 절단하게 되는 것이다.즉, 펀치의 날 끝부분에 집중적으로 응력이 발생하게 되고 재료의 표면은 압축력을 받게 되며, 소재의 표면에 발생하는 압축응력은 가공이 진행됨에 따라서 재료의 탄성한도를 넘어서게 되고 소성변형을 일으키게 되는 것이다.

그리고 내마모성, 인성 등을 갖추기 위해 고가의 소재, 일반적으로 SKD11, 23F85 등의 소재를 사용하고, 제작과정에서 내마모성과 인성을 향상시키기 위해서 열처리 및 코팅과정을 거친다.

종래기술로서, 등록특허공보, 등록번호 제10-1389549호(캐비티 교환이 가능한 전단금형)에 의하면, 상기 캐비티 교환이 가능한 전단금형은 생크(shank)에 연결되어 상하 이동되는 상부플레이트(20)와; 상기 상부플레이트(20)의 일측에 구비되며, 내측으로 함몰되는 상부인서트홈(44)이 형성되는 상부마스터다이(30)와; 상기 상부마스터다이(30)의 내부에 구비되며, 시트소재(P)를 절단하는 피어싱펀치(52) 또는 피나클칼날(54)이 설치되는 상부인서트다이(50)와; 상기 상부마스터다이(30)의 하부에 이격된 위치에 설치되며, 내측으로 함몰되는 하부인서트홈(92)이 형성되는 하부마스터다이(70)와; 상기 하부마스터다이(70)의 내부에 구비되며, 상기 피어싱펀치(52)가 삽입되는 펀치수용홀(102)이 형성되며, 시트소재(P)를 지지하는 하부인서트다이(100)와; 상기 상부인서트다이(50)와 상기 하부인서트다이(100)는 착탈 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 캐비티 교환이 가능한 전단금형에 관한 것이라고 기재되어 있다.

또한, 다른 종래기술로서, 등록특허공보, 등록번호 제10-0758690호(초정밀 전단금형기)에 의하면, 상기 초정밀 전단금형기는 상부금형과 하부금형이 구비되어 인입되는 코일을 절단하도록 프레스기의 중앙에 조립,분리 가능하게 설치되는 전단금형기에 있어서, 상기 상부금형(100)은 인입되는 코일(600)을 클램핑 하도록 중심부 하단에 설치되는 상형패드(110)와, 상기 상형패드(110)의 전단에 인접하게 설치되는 상형전단날(120)과, 상부금형(100)의 양측부 내측에 구비된 밀착부(130) 및 각각의 모서리에 삽입공(141)이 구비되어 하부로 돌출 형성된 상형가이드(140)를 포함하고, 상기 하부금형(200)은 상기 상형패드(110)와 대향 되게 설치되는 하형패드(210)와, 상기 하형패드(210)의 전단에 설치되되, 상기 상형전단날(120)의 상하 이동이 간섭되지 않도록 설치되는 하형전단날(220)과, 상부금형(140)의 밀착부(130)와 대응되게 설치되어 상부금형(140)의 하강에 따라 단부가 밀착되는 완충부(230) 및 상형 가이드(140)의 삽입공(141)에 상호 구속하며 지지되도록 삽입 설치되는 가이드포스트(240)를 포함하는 것을 특징으로 한다고 기재되어 있다.

또한, 또 다른 종래기술로서, 등록특허공보, 등록번호 제10-0606457호(3차원 프린팅 조형시스템)에 의하면, 상기 3차원 프린팅 조형시스템은 소정폭으로 승강하는 조형테이블이 마련된 조형챔버와, 소정폭으로 승강하는 소재공급테이블을 가지며 분말소재가 수용되는 소재수용챔버와, 상기 소재수용챔버에 수용된 분말소재를 조형될 3차원 조형물의 분할된 단면데이터에 대응하는 단면 두께씩 상기 조형테이블로 공급하는 소재공급유닛을 갖는 3차원 프린팅 조형시스템에 있어서, 상기 조형테이블에 공급된 분말소재 중 상기 단면데이터에 해당하는 영역으로 액상의 저점성 성질을 갖는 바인더와 UV레진의 혼합물로 이루어진 광경화성 접착물질을 분사하는 프린팅헤드와, 적어도 상기 접착물질이 분사된 영역을 광경화시키는 경화장치와, 상기 3차원 조형물의 분할된 단면데이터에 대응하는 영역으로 상기 접착물질이 분사되어 경화되도록 상기 프린팅헤드와, 상기 경화장치의 구동을 제어하는 제어컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 한다고 기재되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 전단금형은 이러한 작업을 10만 회 이상 반복적으로 수행해야 하므로, 내마모성, 인성 등을 갖추기 위해 고가의 소재, 일반적으로 SKD11, 23F85 등을 사용하고, 제작과정에서 내마모성과 인성을 향상시키기 위해서 열처리 및 코팅과정을 거쳐야하므로 경제적인 효율성이 낮다는 단점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전단작업의 효율성을 향상시키기 위하여 전단금형의 날부에 이종소재를 3차원 메탈프린터를 이용하여 적층한 전단금형을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말은 중량%로 Cr 8∼10%, Si 1.8∼2.5%, C 0.25∼0.35%, Mn 2∼3%와 잔부가 Fe로 구성되는 것이 특징이다.

본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말에 의해 제조된 전단금형은 종래의 전단금형에 비해 내마모성과 내식성 및 내열성이 우수하며, 또한 작업 후 제품표면이 매끄럽고 경도가 우수하여 지속적인 작업이 가능하며, 생산량의 증대에도 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말의 제조공정도.
도 2는 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말의 또 다른 제조공정도.
도 3은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 실험장치.
도 4는 도 3의 A부분의 상세 확대도.
도 5는 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 전단작업 후의 표면사진.
도 6은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 전단작업 후의 버(Burr)발생량 비교표.
도 7은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말의 경도 비교표.

본 발명은 3차원 메탈프린터용 금속분말은 중량%로 Cr 8∼10%, Si 1.8∼2.5%, C 0.25∼0.35%, Mn 2∼3%와 잔부가 Fe로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 3차원 메탈프린터용 금속분말은 금속분말을 이루는 조성성분인 금속소재들을 지정된 중량비대로 혼합하는 1단계; 중량비대로 혼합된 금속소재들을 분쇄기에서 분쇄하여 금속분말로 만드는 2단계; 2단계에서 생성된 금속분말을 체질하여 지정된 굵기의 금속분말을 분류해내는 3단계; 공정을 포함하여 제조되는 것이다.

또한, 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말은 금속분말을 이루는 조성성분인 금속소재를 각각 준비하는 1단계; 상기 금속소재를 각각 분쇄기에서 분쇄하여 금속분말로 만드는 2단계; 2단계에서 생성된 각각의 금속분말을 체질하여 지정된 굵기의 금속분말을 분류해내는 3단계; 3단계에서 분류된 각각의 금속분말을 지정된 중량비대로 혼합하는 4단계;공정을 포함하여 제조되는 것이다.

이하, 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 설명에 앞서 참고로 금속분말을 토너로 사용하여 3차원 물체를 프린팅하는 기기를 3차원 메탈프린터라고 칭한다.

SKD11, SKD61은 금형제작에 많이 사용되는 합금강으로서, 가공과 열처리 후변형이 적기 때문에 주로 정밀한 강공 후 변형이 없어야 하는 제품에 많이 사용되고 있다.

그러나 SKD11, SKD61을 이루는 금속은 모두 고가이기에 본 발명에서는 선별적으로 조성을 변화시켜 전단금형의 주종을 이루는 SKD11, SKD61에 비해 특히, Cr과 Mn 및 Si의 함유량을 증가시켜 내마모성을 향상시키고 경도와 인장강도 및 내식성과 내열성을 높도록 하였다.

이에 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말은 중량비 대비 Cr 8∼10%, Si 1.8∼2.5%, C 0.25∼0.35%, Mn 2∼3%와 잔부가 Fe로 구성되어 있다.

Cr(코롬)은 내식성 및 기계적 성질이 우수한 금속으로 Cr의 조성성분이 8% 미만이면 Cr의 조성효과가 미비하며, 10%를 초과하면 함유량의 증가에 비해 Cr으로 인해 얻는 효과가 미비하기에 가격 대비 효율이 떨어지게 된다.

참고로 Cr이 12% 이상이면 스테인리스강이라 부른다.

C(탄소)는 함유량에 따라 강의 강도와 경도와 같은 강의 성질이 변하는 원소로서, 대부분 열처리가 가능한 0.1∼1.5% 함유되어 있으며, 본 발명의 금속분말에서는 0.25∼0.35%를 사용한다.

Mn(망간)은 단단하고 금속합금시 내식성과 기계적 성질을 높이기 위해 필요한 원소로서, 조성성분이 2% 미만이면 그 효과가 미비하며, 3%를 초과하면 함유량의 증가에 비해 얻어지는 효과가 작다.

Si(규소)는 화학반응이 거의 없기 때문에 다른 금속의 표면에 이를 성장시키는 원소로서 조성성분이 1.8% 미만이며 효과가 미비하며, 2.5%를 초과하면 투입되는 함유량에 비해 얻어지는 효과가 작다.

특히, Mn과 Si는 탈산제로서 제강시 필요한 원소이다.

또한, 금속제품의 기능을 향상시키기 위하여 중량비로 P 0.01~0.05%, Ni 0.05~1.0%, Mo 0.01~0.05%, Ti 0.001~0.005%, V 0.01~0.05%, Nb 0.004~0.01%, W 0.02~0.05%, Co 0.01~0.05%, Zr 0.004~0.01%, B 0.002~0.005%가 더 포함될 수도 있다.

상기 P, Ni, Mo, Ti, V, Nb, W, Co, Zr, B는 개별적으로 포함되거나 둘 이상이 혼합되어 포함될 수도 있다.

P(인)은 공기 중에서 스스로 점화되는 발화성이 강한 원소로서, P의 함유량이 0.01% 미만이면 발화력이 미비하여 금속분말의 용융에 영향이 작게 작용하며 함유량이 0.05%를 초과하면 발화력 강하여 다른 금속을 모두 발화시켜 금속분말을 너무 무른 액체상태로 만들어 프린팅 작업시 적층이 어렵게 된다.

Ni(니켈)은 단조 및 단접이 가능하고 전성 및 연성이 풍부하며, 철에 비해 잘 산화되지 않는 원소로서 촉매나 철의 도금용으로 사용된다. Ni의 함유량이 0.05% 미만이면 Ni투입에 대한 그 효과가 미비하며 1.0%이상이면 포함되는 양에 비해 얻어지는 효과가 작다.

Mo(몰리브덴)은 넓은 온도범위에서 가계적으로 매우 강하며, 보통의 산에는 녹지 않으며, 진한 질산에도 침식되지 않는다. 철과의 합금된 몰리브덴강은 절삭용 공구로 쓰인다. Mo의 함유량이 0.01% 미만이면 얻어지는 효과가 미비하여 함유량이 0.05% 초과하면 함유량 대비 얻어지는 효과가 떨어진다.

Ti(티탄)은 강도, 전성, 연성이 크며, 표면에 산화막이 생기므로 산이나 바닷물에 잘 부식되지 않는 원소로서 함유량이 0.001%미만이면 Ti함유에 따른 효과가 미비하며 0.005%를 초과하면 얻어지는 효과에 비해 비용이 많이 들게 된다.

V(바나듐)은 강철 또는 철과 합금하여 고속도 공구강, 고강력 구조용 강재로 사용되며, 강철에 일반적으로 1% 미만이 포함되면 강철의 표면구조가 미세하고, 탄소와 반응하여 탄화물을 만들게 된다. V의 함유량이 0.01% 미만이면 V함유에 따른 효과가 미비하며 0.05%를 초과하여 함유되면 비용대비 효과가 작다.

Nb(니오브, 니오듐)은 산소나 강산에도 침식되지 않으며, 스테인리스 합금의 내열성을 더하기 위하여 첨가되는 원소이다. Nb의 함유량이 0.004% 미만이면 Nb함유에 대한 효과가 미비하며 0.01%를 초과하면 포함되는 양에 비해 그 효과가 작다.

W(텅스텐)은 고속도강, 영구자석강, 내열 및 내식합금에 사용되며, 탄화텅스텐은 공구에 사용된다. 고가로서 W이 0.02% 미만 함유되면 W함유에 따른 효과가 미비하며 0.05%를 초과하면 함유되는 양에 비해 얻어지는 효과가 작다.

Co(코발트)는 철과 비슷한 광택이 나는 금속을 강자성이다. 가열해도 잘 융해되지 않으며, 공기 중에 방치해도 표면에 녹이 슬 뿐 잘 부식되지 않는 것으로 내산화성, 내마모성, 기계적 성질이 우수한 성질이 있다. 0.01% 미만이면 Co투입에 따른 얻는 효과가 작으며 0.05% 이상이면 포함되는 양에 비해 얻어지는 효과가 작다.

Zr(지르코늄)은 고온의 물속에서 내식성이 크다. 공기속에서도 산화피막이 생겨서 강한 내식성을 보이며, 분말상에서는 공기 속에서 발화하는 성질이 있는 원소로서 0.004%미만이면 공기속에서 발화하여 반응이 되지 않으며, 0.01% 이상이면 포함되는 양에 비해 얻어지는 효과가 작고 경제적으로도 부담스럽다.

B(붕소)는 반응성은 작지만 산소나 질소와 화합물을 이루므로 금속의 제련 때 탈가스제로 사용되며, C(탄소)와의 화합물 B4C는 인공의 물질 중 가장 단단한 것으로, 0.002% 미만이 포함되면 반응성이 미약하며 0.005%를 초과하면 투입되는 양에 비해 얻어지는 효과가 작다.

도 1은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말의 제조공정도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 제조하는 1단계 공정으로서 금속분말을 이루는 조성성분인 금속소재들을 준비하여 지정된 중량비대로 혼합하게 된다.

1단계 공정에서 혼합된 금속소재들은 분쇄기에서 분쇄하여 금속분말로 만드는 2단계 공정을 거치게 된다.

그리고 3단계 공정으로서 2단계에서 생성된 금속분말은 체질기를 통해 체질하여 지정된 입자의 금속분말과 이물질 및 큰 입자의 금속분말을 분류해내게 되는 것이다.

도 2는 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말의 또 다른 제조공정도이다.

본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 제조하는 1단계 공정으로서 금속분말을 이루는 조성성분인 금속소재를 각각 준비하게 된다.

이렇게 준비된 상기 금속소재들은 각각 분쇄기에서 분쇄하여 금속분말로 만드는 2단계 공정을 거치게 된다.

그리고 2단계에서 생성된 각각의 금속분말을 체질기에서 체질하여 지정된 입자크기의 금속분말을 분류해내는 3단계 공정을 거치게 되며, 끝으로 4단계 공정으로서 3단계에서 분류된 각각의 금속분말을 지정된 중량비대로 혼합하게 된다.

상술한 금속분말이 적용되는 실험은 다음과 같다.

도 3은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 실험장치이며, 도 4는 도 3의 A부분의 상세 확대도이다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 23F85 금속소재를 기본으로 하고, 전단작업시 재료에 직접 접하는 상·하부의 날부에 각각 용접과 적층 그리고 화염열처리를 통해 제작된 전단금형을 제작한다.

이렇게 제작된 전단금형으로 전단작업을 하게 된다.

도 5는 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 전단작업 후의 표면사진이다.

도 5에 도시된 바와 같이 화염열처리를 통한 것보다는 용접이나 적층으로 이루어진 전단금형이 상대적으로 표면이 매끄럽고 깨끗하다는 것을 알 수 있다.

도 6은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말을 적용한 전단금형의 전단작업 후의 버(Burr)발생량 비교표이다.

전단금형의 모재인 23F5 주강 스틸에 이종소재인 본 발명 금속분말을 적층한 결과 적층 안정성을 나타낸 것으로, 적층 후 12,000타 전단작업 후 스틸표면에 스크래치 발생량이 용접 및 원소재 열처리 조건보다 작게 발생함을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말의 경도 비교표이다.

본 발명에 의해 금속분말은 대체로 용접봉을 이루는 조성성분과 비슷하기에 용접봉의 소재인 SKD11분말과 SKD61분말을 적층하여 경도를 비교하였으며 도 7에 도시된 바와 같이 실험에 따르면 본 발명의 금속분말에 의해 제조된 전단금형의 경도가 가장 우수하다는 것을 알 수 있다.

한편, 3차원 메탈프린터용 금속분말로서 본 발명의 금속분말 자체를 사용하거나 또는 SKD11, SKD61 하나 또는 둘을 혼합하여 사용할 수도 있다.

본 발명 3차원 메탈프린터용 금속분말에 의해 제조된 전단금형은 종래의 전단금형에 비해 내마모성과 내식성 및 내열성이 우수하며, 또한 작업 후 제품표면이 매끄럽고 경도가 우수하여 지속적인 작업이 가능하며, 생산량의 증대에도 현저한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 금속분말을 토너로 사용하는 3차원 메탈프린터용 금속분말에 있어서,
   상기 3차원 메탈프린터용 금속분말은 중량비로 Cr 8∼10%, Si 1.8∼2.5%, C 0.25∼0.35%, Mn 2∼3%와 잔부가 Fe로 구성되되,
   중량비로 P 0.01~0.05%, Ni 0.05~1.0%, Mo 0.01~0.05%, Ti 0.001~0.005%, V 0.01~0.05%, Nb 0.004~0.01%, W 0.02~0.05%, Co 0.01~0.05%, Zr 0.004~0.01%, B 0.002~0.005%가 하나 또는 둘 이상이 추가혼합되는 것으로,
   상기 3차원 메탈프린터용 금속분말은 금속분말을 이루는 조성성분인 금속소재들을 지정된 중량비대로 혼합하는 1단계; 중량비대로 혼합된 금속소재들을 분쇄기에서 분쇄하여 금속분말로 만드는 2단계; 2단계에서 생성된 금속분말을 체질하여 지정된 입자크기의 금속분말을 분류해내는 3단계;공정을 포함하여 제조되며,
   또한, 상기 3차원 메탈프린터용 금속분말에 SKD11, SKD61 중 하나 또는 둘을 혼합하여, 전단작업시 금속재료에 직접 접하는 전단금형의 상·하부의 날부성형에 사용되는 것이 특징인 3차원 메탈프린터용 금속분말.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 3차원 메탈프린터용 금속분말은 금속분말의 조성성분인 금속소재를 각각 준비하는 1단계;
   상기 금속소재를 각각 분쇄기에서 분쇄하여 금속분말로 만드는 2단계;
   2단계에서 생성된 각각의 금속분말을 체질하여 지정된 입자크기의 금속분말을 분류해내는 3단계;
   3단계에서 분류된 각각의 금속분말을 지정된 중량비대로 혼합하는 4단계;
   공정을 포함하여 제조되는 것이 특징인 3차원 메탈프린터용 금속분말.
   

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