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KR102529862B1 - 다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법 - Google Patents

다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법 Download PDF

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KR102529862B1
KR102529862B1 KR1020210117142A KR20210117142A KR102529862B1 KR 102529862 B1 KR102529862 B1 KR 102529862B1 KR 1020210117142 A KR1020210117142 A KR 1020210117142A KR 20210117142 A KR20210117142 A KR 20210117142A KR 102529862 B1 KR102529862 B1 KR 102529862B1
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porous
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심도식
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한국해양대학교 산학협력단
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Abstract

경량화 부품 제조방법이 개시된다. 상기 경량화 부품 제조방법은 다공성 금속 모재의 표면에 금속 판재를 배치하여 상기 다공성 금속 모재의 표면을 평탄화시키는 제1 단계; 직접용착적층장치(Direct Energy Deposition, DED)의 노즐을 일방향을 따라 선형 이동시키면서 상기 금속 판재 위로 레이저 빔을 조사함과 동시에 금속 분말을 공급하되, 상기 모재와 상기 금속 판재 및 상기 금속 분말이 동시 용융될 수 있는 출력으로 레이저 빔을 조사하면서 상기 선형 이동을 반복하여 상기 다공성 금속 모재의 표면에 서로 오버랩되는 다수 열의 용융 풀이 형성되는 제2 단계; 및 상기 다수 열의 용융풀이 순차적으로 급속 응고되어 상기 다공성 금속 모재 표면에 금속층이 적층되는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법{MANURACTURING METHOD OF LIGHTWEIGHT PARTS COMBINED WITH POROUS AND NON-POROUS METAL}
본 발명은 경량화 부품 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다공성 금속 소재 및 금속 적층 제조기술을 이용한 경량화 부품 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 다공성 금속이란 금속 재료 내부에 수많은 기공을 가진 다공질(porous)의 소재를 일컫는다. 이러한 다공성 금속은 대표적인 경량소재로 높은 차음/흡음성, 충격흡수성, 압축성 및 전자파 차폐성, 기계가공성 및 열전도성이 우수하며, 밀도를 변화시켜 광범위한 강도를 지니게 할 수 있는 특성이 있다.
그리고, 다공성 금속은 다양한 산업 환경에 범용적으로 사용되고 있으며, 특히 구조재료, 차음재료, 방진재료, 열교환기, 충격흡수 및 완충재료, 단열재료, 필터재료, 흡음재료, 생체재료, 진동흡수 재료 등으로 널리 사용되고 있다.
이러한 다공성 금속은 특히 부품의 경량화를 위해 사용된다. 그러나 다공성 소재만으로는 경량성과 강도를 모두 만족키기기 어렵다. 따라서, 다공성 고재와 비다공성(solid) 소재를 결합하는 방식으로 경량 부품을 제작하고 있다.
종래의 다공성 소재와 비다공성(solid) 소재를 결합하는 방식으로써 용접 공정이 이용되고 있으나, 다공성 소재와 비다공성 소재를 결합할 때 기공이 발생하고, 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ), 열 변형과 같은 문제가 발생되어 제품의 품질을 저하시키며, 여러 공정을 거쳐야하기 때문에 제작비가 상승되는 문제가 있었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다공성 금속의 표면에 평탄한 금속층을 적층시킬 수 있고, 다단의 금속층을 적층할 때 각 층에서의 노즐의 이동 방향을 교차시키는 과정을 통해 각 금속층의 밀도 및 강도가 향상될 수 있도록 한 경량화 부품 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법은 다공성 금속 모재의 표면에 금속 판재를 배치하여 상기 다공성 금속 모재의 표면을 평탄화시키는 제1 단계; 직접용착적층장치(Direct Energy Deposition, DED)의 노즐을 일방향을 따라 선형 이동시키면서 상기 금속 판재 위로 레이저 빔을 조사함과 동시에 금속 분말을 공급하되, 상기 모재와 상기 금속 판재 및 상기 금속 분말이 동시 용융될 수 있는 출력으로 레이저 빔을 조사하면서 상기 선형 이동을 반복하여 상기 다공성 금속 모재의 표면에 서로 오버랩되는 다수 열의 용융 풀이 형성되는 제2 단계; 및 상기 다수 열의 용융풀이 순차적으로 급속 응고되어 상기 다공성 금속 모재 표면에 금속층이 적층되는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 단계 및 상기 제3 단계가 2회 이상 수행되어 다단의 금속층이 적층될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 다단의 금속층을 적층하는 2회 이상의 각 순번에서 상기 노즐은 이전 순번에서의 노즐 이동 방향과 교차하도록 선형 이동될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 단계에서 상기 노즐은 상기 금속 분말과 함께 불활성 가스를 공급할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법은 다공성 금속 모재의 기공 내에 금속 분말을 채워서 상기 다공성 금속 모재의 표면을 평탄화시키는 제1 단계; 직접용착적층장치(Direct Energy Deposition, DED)의 노즐을 일방향을 따라 선형 이동시키면서 상기 다공성 금속 모재 위로 레이저 빔을 조사함과 동시에 금속 분말을 공급하되, 상기 모재 및 상기 금속 분말이 동시 용융될 수 있는 출력으로 레이저 빔을 조사하면서 상기 선형 이동을 반복하여 상기 다공성 금속 모재의 표면에 서로 오버랩되는 다수 열의 용융풀이 형성되는 제2 단계; 및 상기 다수 열의 용융풀이 순차적으로 급속 응고되어 상기 다공성 금속 모재 표면에 금속층이 적층되는 제3 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 경량화 부품 제조방법에 의하면, 표면이 평탄하지 못한 다공성 금속의 표면을 간단히 평탄화시킨 후 용융 풀을 형성하고 그 용융 풀을 급속 응고시켜 금속층을 형성하므로 다공성 금속의 표면에 평탄한 금속층을 적층시킬 수 있고, 다단의 금속층을 적층할 때 각 층에서의 노즐의 이동 방향을 교차시키는 과정을 통해 각 금속층의 밀도 및 강도가 향상될 수 있는 이점이 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법의 공정 순서를 나타내는 도면들이다.
도 5는 도 4에 도시된 금속층이 다단으로 형성되는 과정을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 경량화 부품 제조방법에 의해 제조된 부품들과 비다공성 소재로 제조된 종래 부품 간의 비교 모습을 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에 따른 경량화 부품 제조방법은 내부는 다공성 금속 소재이면서 외부는 비다공성 금속 소재인 경량화 부품을 제조할 수 있다.
이를 위해, 직접용착적층장치(Direct Energy Deposition, DED)의 노즐을 통해 금속 분말 등 클래딩 소재를 피적층면에 공급하면서 동시에 레이저 등의 고에너지로 용융하여 적층하는 방식의 3D 프린팅 기술이 이용된다.
상기 다공성 금속은, 기공이 외부와 연통되는 개포형(open-cell) 및 기공이 금속 내부에 형성되는 폐포형(closed-cell) 중 어는 하나일 수 있다.
이러한 다공성 금속은 표면이 평탄하지 못하기 때문에 다공성 금속의 표면에 상기 직접용착적층장치의 노즐을 이용하여 레이저 빔을 조사함과 동시에 금속 분말을 공급하면서 금속층을 적층하는 것이 쉽지 않다.
즉, 상기 개포형의 경우 상기 금속 분말을 공급하면서 상기 레이저 빔 상기금속 분말을 용융시킬 때 상기 금속 분말이 개포형의 다공성 금속의 기공을 통해 통과되는 문제 및 표면이 평탄하지 못하고 표면의 높낮이가 달라서 레이저 빔의 조사 높이가 달라지기 때문에 금속층을 평탄하게 형성하는데 어려움이 있다.
상기 폐포형의 경우에는 상기 금속 분말을 공급하면서 상기 레이저 빔 상기금속 분말을 용융시킬 때 금속 분말이 기공을 통과하지는 않지만 다공성 금속 표면이 평탄하지 못하고 표면의 높낮이가 달라서 레이저 빔의 조사 높이가 달라지기 때문에 금속층을 평탄하게 형성하는데 어려움이 있다.
본 발명에 따른 경량화 부품 제조방법은 아래에서 설명되는 각 실시예들을 통해 다공성 금속 표면 상에 금속층을 적층함에 있어서 발생되는 상기 언급된 문제들을 간단히 극복하여 평탄한 금속층을 적층시켜, 다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품을 제조할 수 있다.
제1 실시예
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법의 공정 순서를 나타내는 도면들이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법은 제1 단계(S110), 제2 단계(S120) 및 제3 단계(S130)를 포함할 수 있다.
제1 단계(S110)에서, 다공성 금속 모재(110)의 표면에 금속 판재(120)를 배치하여 상기 다공성 금속 모재(110)의 표면을 평탄화시킬 수 있다.
상기 금속 판재(120)를 상기 다공성 금속 모재(110)의 표면에 배치함으로써 상기 다공성 금속 모재(110)의 표면을 신속하고 간단하게 평탄화시킬 수 있다.
상기 금속 판재(120)는 상기 다공성 금속 모재(110)와 동일 소재로 구비될 수 있다.
일 예로, 상기 금속 판재(120)는 상기 다공성 금속 모재(110)의 금속층을 적층하고자 하는 방향의 표면 전체를 덮도록 배치될 수 있다.
제2 단계(S120)에서, 직접용착적층장치(Direct Energy Deposition, DED)의 노즐(10)을 일방향을 따라 선형 이동시키면서 상기 금속 판재(120) 위로 레이저 빔(11)을 조사함과 동시에 금속 분말(12)을 공급할 수 있다. 이때, 상기 레이저 빔(11)은 상기 다공성 금속 모재(110)와 상기 금속 판재(120) 및 상기 금속 분말(12)이 동시 용융될 수 있는 출력으로 조사되며, 상기 노즐(10)은 상기 선형 이동을 반복하여 상기 다공성 금속 모재(110)의 표면에 서로 오버랩되는 다수 열의 용융 풀(20)이 형성될 수 있다.
제3 단계(S130)에서, 상기 다수 열의 용융 풀이 순차적으로 급속 응고되어 상기 다공성 금속 모재(110) 표면에 금속층(30)이 적층될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 금속층이 다단으로 형성되는 과정을 설명하기 위한 사시도이다.
한편, 상기 금속층(30)은 다단으로 적층될 수 있고, 이를 위해, 상기 제2 단계(S120) 및 상기 제3 단계(S130)가 2회 이상 수행될 수 있다. 이때, 상기 다단의 금속층을 적층하는 2회 이상의 각 순번에서 도 5에 도시된 바와 같이 상기 노즐(10)은 이전 순번에서의 노즐 이동 방향과 교차하도록 선형 이동될 수 있다. 즉, 상기 제1 내지 제3 단계(S110, S120, S130)가 1회 수행되어 1층의 금속층(30)이 형성된 후, 상기 제2 단계(S120) 및 제3 단계(S130)가 수행될 때 제2 단계(S120)에서의 노즐(10)의 이동 방향은 상기 1층의 금속층(30)을 형성하는 순번의 제2 단계(S120)에서의 노즐(10)의 이동 방향과 교차하도록 선형 이동될 수 있다. 이와 같이, 상기 노즐(10)의 이동 방향을 교차시키는 것에 의해 다단의 금속층의 밀도 및 강도가 향상될 수 있다.
한편, 상기 제2 단계(S120)에서, 상기 노즐(10)은 상기 금속 분말(12)과 함께 불활성 가스(GAS)를 공급할 수 있다. 상기 불황성 가스를 공급함에 따라 금속 분말(12)의 산화를 방지할 수 있다.
제2 실시예
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법은 다공성 금속 모재의 기공 내에 금속 분말을 채워서 상기 다공성 금속 모재의 표면을 평탄화시키는 제1 단계; 직접용착적층장치(Direct Energy Deposition, DED)의 노즐을 일방향을 따라 선형 이동시키면서 상기 다공성 금속 모재 위로 레이저 빔을 조사함과 동시에 금속 분말을 공급하되, 상기 모재 및 상기 금속 분말이 동시 용융될 수 있는 출력으로 레이저 빔을 조사하면서 상기 선형 이동을 반복하여 상기 다공성 금속 모재의 표면에 서로 오버랩되는 다수 열의 용융풀이 형성되는 제2 단계; 및 상기 다수 열의 용융풀이 순차적으로 급속 응고되어 상기 다공성 금속 모재 표면에 금속층이 적층되는 제3 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 단계에서, 다공성 금속 모재가 개포형인 경우 다공성 금속 모재 전체에 금속 분말이 채워져서 평탄화될 수 있고, 다공성 금속 모재가 폐포형인 경우 적층이 필요한 표면의 기공에만 금속 분말을 채워서 평탄화될 수 있다.
이러한 본 발명의 제2 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법은 상기 금속 분말(220)을 상기 다공성 금속 모재(210)의 기공 내에 채워서 상기 다공성 금속 모재(210)의 표면을 평탄화시키는 제1 단계를 제외하고는 상기 제2 단계 및 상기 제3 단계는 본 발명의 제1 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법의 제2 단계(S120) 및 제3 단계(S130)와 동일하므로 상기 제2 단계 및 상기 제3 단계에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법은 상기 제2 단계 및 상기 제3 단계가 2회 이상 수행되어 다단의 금속층이 적층될 수 있고, 상기 다단의 금속층을 적층하는 2회 이상의 각 순번에서 상기 노즐은 이전 순번에서의 노즐 이동 방향과 교차하도록 선형 이동될 수 있으며, 상기 제2 단계에서 상기 노즐은 상기 금속 분말과 함께 불활성 가스를 공급할 수 있다.
이러한 과정들은 본 발명의 제1 실시예에 따른 경량화 부품 제조방법과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이러한 본 발명에 따른 경량화 부품 제조방법에 의하면, 표면이 평탄하지 못한 다공성 금속의 표면을 간단히 평탄화시킨 후 용융 풀을 형성하고 그 용융 풀을 급속 응고시켜 금속층을 형성하므로 다공성 금속의 표면에 평탄한 금속층을 적층시킬 수 있고, 다단의 금속층을 적층할 때 각 층에서의 노즐의 이동 방향을 교차시키는 과정을 통해 각 금속층의 밀도 및 강도가 향상될 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 경량화 부품 제조방법은 부품의 형상에 제한이 없이, 3차원 형상의 경량화 부품을 다양하게 제조할 수 있다.
한편, 이러한 본 발명에 따른 경량화 부품 제조방법에 의해 제조되는 경량화 부품은 내부는 다공성 금속이고 외부는 비다공성 금속인 형태이므로 경량성이 우수한 이점이 있고, 경량화 부품 제조 과정에서의 금속층 적층 회수의 조절을 통해 강도가 조절될 수 있으므로 사용 목적에 따른 강도가 확보될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 경량화 부품 제조방법에 의해 제조된 부품들과 비다공성 소재로 제조된 종래 부품 간의 비교 모습을 나타낸다.
도 7에서 (a)는 비다공성 소재로 제조된 종래 부품의 모습을 나타내고, (b)는 개포형 다공성 금속 모재를 이용하여 제조된 경량화 부품의 모습을 나타내고, (c)는 폐포형 다공성 금속 모재를 이용하여 제조된 경량화 부품의 모습을 나타낸다.
본 발명에 따른 경량화 부품 제조방법에 의해 도 7의 비다공성 소재로만 제조된 (a)와 달리 (b) 및 (c)와 같이 내부가 다공성이고 외부는 비다공성 금속층으로 이루어진 표면을 갖는 경량화 부품의 제조가 가능하다.
도 7에 도시된 경량화 부품들은 기어를 나타내고 있지만, 이는 예시적인 형태일 뿐, 본 발명에 따라 제조 가능한 경량화 부품은 기어에 한정되는 것은 아니다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 다공성 금속 모재의 표면에 그 표면을 덮도록 금속 판재를 배치하여 상기 다공성 금속 모재의 표면을 평탄화시키는 제1 단계;
    직접용착적층장치(Direct Energy Deposition, DED)의 노즐을 일방향을 따라 선형 이동시키면서 상기 금속 판재 위로 레이저 빔을 조사함과 동시에 금속 분말을 공급하되, 상기 모재와 상기 금속 판재 및 상기 금속 분말이 동시 용융될 수 있는 출력으로 레이저 빔을 조사하면서 상기 선형 이동을 반복하여 상기 다공성 금속 모재의 표면에 서로 오버랩되는 다수 열의 용융 풀이 형성되는 제2 단계; 및
    상기 다수 열의 용융풀이 순차적으로 급속 응고되어 상기 다공성 금속 모재 표면에 금속층이 적층되는 제3 단계를 포함하는,
    다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 단계 및 상기 제3 단계가 2회 이상 수행되어 다단의 금속층이 적층되는,
    다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다단의 금속층을 적층하는 2회 이상의 각 순번에서 상기 노즐은 이전 순번에서의 노즐 이동 방향과 교차하도록 선형 이동되는,
    다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 단계에서 상기 노즐은 상기 금속 분말과 함께 불활성 가스를 공급하는,
    다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법.
  5. 다공성 금속 모재의 기공 내에 금속 분말을 채워서 상기 다공성 금속 모재의 표면을 평탄화시키는 제1 단계;
    직접용착적층장치(Direct Energy Deposition, DED)의 노즐을 일방향을 따라 선형 이동시키면서 상기 다공성 금속 모재 위로 레이저 빔을 조사함과 동시에 금속 분말을 공급하되, 상기 모재 및 상기 금속 분말이 동시 용융될 수 있는 출력으로 레이저 빔을 조사하면서 상기 선형 이동을 반복하여 상기 다공성 금속 모재의 표면에 서로 오버랩되는 다수 열의 용융풀이 형성되는 제2 단계; 및
    상기 다수 열의 용융풀이 순차적으로 급속 응고되어 상기 다공성 금속 모재 표면에 금속층이 적층되는 제3 단계를 포함하는,
    다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 단계 및 상기 제3 단계가 2회 이상 수행되어 다단의 금속층이 적층되는,
    다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다단의 금속층을 적층하는 2회 이상의 각 순번에서 상기 노즐은 이전 순번에서의 노즐 이동 방향과 교차하도록 선형 이동되는,
    다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 단계에서 상기 노즐은 상기 금속 분말과 함께 불활성 가스를 공급하는,
    다공성 금속 및 비다공성 금속이 결합된 경량화 부품 제조방법.
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