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KR20200006277A - 3d 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드 및 그 제조 방법 - Google Patents

3d 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20200006277A
KR20200006277A KR1020180079807A KR20180079807A KR20200006277A KR 20200006277 A KR20200006277 A KR 20200006277A KR 1020180079807 A KR1020180079807 A KR 1020180079807A KR 20180079807 A KR20180079807 A KR 20180079807A KR 20200006277 A KR20200006277 A KR 20200006277A
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Abstract

3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드에 있어서, 3D 프린터로 출력되고, 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 따라 형성되고, 상기 상측 표면을 따라 상기 상측 표면에 인접하게 냉각 채널이 형성되는 냉각 파트; 및 상기 상측 표면을 레이저 시스템으로 용융하여 형성된 상기 성형할 물품의 형상을 정의하는 커버층;을 포함하고, 상기 커버층의 공극률은 상기 냉각 파트의 공극률보다 낮은 것을 특징으로 하는 몰드가 제공된다.

Description

3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드 및 그 제조 방법{Mold having conformal cooling channel by using 3D printer and method therefor}
본 발명은 3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
몰드에 수지를 부어 굳히는 일을 반복하여 대량의 물품을 생산하는 금형산업에 있어서, 싸이클 타임(cycle time)이 중요하다.
싸이클 타임은 물품 1개를 생산하는데 걸리는 시간인데, 빨리 굳혀야 다음 물품을 생산할 수 있으므로, 몰드의 빠른 냉각이 매우 중요하다. 이를 위해, 몰드에 냉각 채널을 형성하는 기술이 널리 사용된다.
물품의 외형을 정의하는 몰드의 표면과 냉각 채널이 가까울수록 냉각 효과가 뛰어나 물품의 외형을 따른 형상적응형 냉각 채널(conformal cooling channel)도 사용되고 있다.
하지만, 복잡한 형상의 경우 전통적인 가공 방법으로 몰드 내부에 형상적응형 냉각 채널을 형성하기 곤란하다.
3D 프린터는 복잡한 형상의 중공 구조를 갖는 물품을 출력할 수 있어서 형상적응형 냉각 채널이 형성된 몰드를 3D 프린터로 출력하는 것이 가능하다.
그런데, 3D 프린터로 출력한 몰드는 내부에 기공이 존재하여, 대량의 물품을 몰드로 성형할 경우 표면 박리 현상이 나타나고 있다.
싸이클 타임을 줄이고 대량의 물품을 생산할 수 있는 몰드 및 그 제조방법이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드에 있어서, 3D 프린터로 출력되고, 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 따라 형성되고, 상기 상측 표면을 따라 상기 상측 표면에 인접하게 냉각 채널이 형성되는 냉각 파트; 및 상기 상측 표면을 레이저 시스템으로 용융하여 형성된 상기 성형할 물품의 형상을 정의하는 커버층;을 포함하고, 상기 커버층의 공극률은 상기 냉각 파트의 공극률보다 낮은 것을 특징으로 하는 몰드가 제공된다.
레이저 시스템은 상기 용융 전에 상기 상측 표면이 상기 성형할 물품의 형상을 정의하도록 삭마(ablation)할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 레이저 시스템은 피코 초 또는 펨토 초 이하의 주기를 갖는 펄스 레이저를 상기 상측 표면에 조사하여 상기 상측 표면이 상기 성형할 물품의 형상을 정의하도록 용융시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 레이저 시스템에 의한 용융 후 급냉시켜 상기 커버층을 비정질 상태로 만들 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드 제조 방법에 있어서, 3D 프린터로, 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 따라 형성되고, 상기 상측 표면을 따라 상기 상측 표면에 인접하게 냉각 채널이 형성된 냉각 파트를 출력하고, 레이저 시스템으로 상기 상측 표면을 용융하여 상기 성형할 물품의 형상을 정의하는 커버층을 형성하고, 상기 커버층의 공극률은 상기 냉각 파트의 공극률보다 낮은 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법이 제공된다.
바람직하게, 레이저 시스템은 피코 초 또는 펨토 초 이하의 주기를 갖는 펄스 레이저를 상기 상측 표면에 조사하여 상기 상측 표면이 상기 성형할 물품의 형상을 정의하도록 용융시킬 수 있다.
레이저 시스템에 의한 용융 시 급냉시켜 상기 커버층을 비정질 상태로 만들 수 있다.
싸이클 타임을 줄이고 대량의 물품을 생산할 수 있는 몰드 및 그 제조방법이 제공된다.
도 1은 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드를 모델링한 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 3D 프린터로 출력한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드의 외형을 나타내는 도면이다.
도 3은 3D 프린터로 출력한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 3D 프린터로 출력한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드의 단면의 일부를 확대한 도면이다.
도 5는 3D 프린터로 출력한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드의 표면을 후가공한 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템의 부분별 배치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템의 구성을 나타내는 표이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 부분별 배치를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 구성을 나타내는 표이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 커버층의 단면을 나타내는 표이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 커버층을 형성하는 것을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 커버층을 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 커버층을 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커버층을 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 있어서, 동일 또는 유사한 기능을 하는 구성요소에는 동일한 도면 부호를 부여하였다.
도 1은 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드를 모델링한 것을 나타내는 도면이다. 여기서 형상은 성형될 물품의 외형을 의미하며, 구체적으로, 성형될 물품의 외형을 정의하는 몰드의 상측 표면일 수 있다. 뜨거운 용융상태의 원재료가 몰드에 밀착된 후 제거하기 위해서는 원재료가 굳어야 한다. 이 경우 냉각 속도가 매우 중요한데, 이를 위해 통상 몰드에 냉각 채널이 형성된다. 그런데, 몰드의 상측 표면과 가깝게 냉각 채널이 형성되면 열전도 측면에서 유리하다. 따라서, 도 1에 상측 표면을 따라 나선 형태로 도시된 바와 같이, 형상 적응형 냉각 채널은 몰드의 상측 표면과 가깝게 그 표면을 따라 형성된다.
다만, 일반적인 제조방법으로는 복잡한 몰드의 외형을 따라 냉각 채널을 형성하는 것이 어렵다. 최근 각광받고 있는 3D 프린터는 복잡한 중공 구조의 출력도 가능하므로 3D 프린터를 이용한 냉각 채널이 형성된 몰드 제작도 이루어 지고 있다.
몰드를 이용한 대량 생산의 경우, 싸이클 타임과 몰드 표면의 내구성이 중요하다. 3D 프린터를 사용하여 쿨링 채널이 형성된 몰드를 제작하여 싸이클 타임을 줄였다. 물품을 찍을때마다 몰드의 표면이 마모되는데, 3D 프린터로 출력한 몰드의 경우 폴리싱 등의 후가공을 하더라도 공극에 채워졌던 소재가 떨어져나가거나 표면이 마모되어 내부 공극이 드러나거나 다양한 이유로 박리가 쉽게 일어나는 단점이 있다.
구체적으로, 도 2는 3D 프린터로 출력한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드의 외형을 나타내는 도면이다.
노출된 외형 상으로는 일반적인 몰드와 다름이 없다. 도 3은 3D 프린터로 출력한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드의 단면을 나타내는 도면이다. 몰드(10)는 냉각 채널(210)이 형성된 냉각 파트(200)를 포함한다. 3D 프린터로 출력된 몰드(10)의 제 1 표면(100)은, 도 4에 도시된 일부 확대된 제 1 표면(100)에 나타난 바와 같이 거칠다. 일반적인 CNC 가공을 하여도, 그 표면이 금형용으로는 부적합하여 대부분 폴리싱 처리를 한다. 그런데, 3D 프린터로 출력한 몰드는 CNC 가공을 한 몰드보다 거칠어서, 추가적인 CNC 가공을 한 후에 폴리싱 처리를 한다. 이 경우 깍이는 량을 고려하여 3D 프린터로 출력될 몰드를 모델링해야하는 불편함도 있다. 도 5는 3D 프린터로 출력한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드의 표면을 후가공, 즉, CNC 가공 및 폴리싱 처리한 제 2 표면(110)을 나타낸 도면이다.
그런데, 도 5에 도시된 CNC 가공 및 폴리싱 처리한 제 2 표면(110)은 초기에는 표면이 매끄러운 경면을 유지하지만, 3D 프린터로 출력한 물품은 완전하지 못한 용융으로 인한 공극이 있어, 폴리싱 처리시 매꿔졌던 공극이 추후에 떨어져 나갈 수 있다. 이 경우 생성되는 물품의 표면이 일정하지 않은 불량이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 3D 프린터(20)를 이용한 형상 적응형 냉각 채널(210)이 형성된 몰드(10)는 3D 프린터(20)로 출력되고, 상측 표면, 즉, 제 1 표면(100)이 성형할 물품의 형상을 따라 형성되고, 상측 표면을 따라 상측 표면에 인접하게 냉각 채널(210)이 형성되는 냉각 파트(200); 및 상측 표면을 레이저 시스템(300)으로 용융하여 형성된 성형할 물품의 형상을 정의하는 커버층(120);을 포함한다. 커버층(120)은 완전히 용융된 상태이므로, 커버층(120)의 공극률은 냉각 파트(200)의 공극률보다 낮다. 이를 통해, 몰드(10)로 다량의 물품을 생산하여도 표면 불량의 발생률이 줄 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저 시스템(100)은 레이저 출력부(310), 미러(320), 스캐닝부(330), 및 제어부를 포함한다.
레이저 시스템(300)은 용융 전에 상측 표면이 상기 성형할 물품의 형상을 정의하도록 삭마(ablation)할 수 있다. 이 경우, 용융된 커버층(120)의 정밀도를 유지하는데 도움이 될 수 있다. 레이저 시스템(300)을 통한 삭마는 최초 모델링된 데이터에서 표면의 위치정보를 이용하여 레이저의 초점을 맞추는 방식으로 진행한다. 초점은 다관절 로봇 또는 다축 모션 시스템을 구비한 레이저 시스템(300)을 사용할 수 있다.
한편, 정밀도가 높은 경면의 상측 표면을 상술한 바와 같은 2단계, 즉, 삭마 및 용융의 단계를 거치지 않고, 피코 초 또는 펨토 초 이하의 주기를 갖는 펄스 레이저를 상측 표면에 조사하여 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 정의하도록 용융시킬 수 있다. 이 경우, 짧은 시간에 최초 모델링된 데이터의 표면의 위치정보를 이용하여 레이저의 초점을 맞추므로, 거친 표면 중에서 피크(peak) 부분이 용융되어 밸리(valley) 부분으로 빠르게 채워지지만, 과도한 용융을 방지하여 정밀도가 높은 경면을 가공할 수 있다. 또한, 물품의 표면 불량을 방지하면서도 신속하고 효율적으로 물품을 대량 생산할 수 있다. 연속 레이저는 표면의 경면화에는 도움이 되지만, 표면의 디테일을 손상시키는 과도한 용융 현상을 일으켜 표면의 디테일, 즉, 정밀도를 떨어뜨린다.
일반적인 금속 몰드의 표면은 다량의 물품을 생산할 경우, 잔류 응력 및 금속의 결정 구조에 기인한 내부 크랙으로 인해 표면 박리 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 레이저 시스템(300)에 의한 용융 시, 도 11에 도시된 바와 같이, 급냉시켜 비정질 상태로 커버층(130)을 만들 수 있다. 비정질 금속, 예를 들어, 리퀴드 메탈과 같은 상용 금속은 표면 특성이 우수하며 마모 특성이 좋아 금형의 재료로서는 적합하지만, 생산공정이 까다롭고 고가이다. 비정질 금속을 만드는 방법 중에서 결정이 생기기 전에 급냉하는 방법이 있는데, 단위 면적당 에너지 출력이 높은 레이저를 사용하면서 급냉시키면 비정질 상태의 금속 층을 형성할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 레이저 시스템(300)에 의한 용융 시, 급냉부(800)로 급격히 냉각 시킬 수 있다. 여기서, 급냉부(800)는 질소 가스를 노즐을 통해 분사하는 형태로 구현될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고 다양한 실시예가 가능하다.
급냉부(800)가 구비된 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터(20)가 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 3D 프린터(20)는 레이저 시스템(300), 메인 제어부(400), 동작 시스템(500), 작업대(600), 재료 공급부(700), 및 급냉부(800)를 포함한다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저 시스템(300)은 레이저 출력부(310), 미러(320), 스캐닝부(330), 및 제어부를 포함한다.
메인 제어부(400)는 레이저 시스템(300), 동작 시스템(500), 작업대(600), 재료 공급부(700), 및 급냉부(800)와 통신적으로 연결되어 각각을 제어한다. 메인 제어부(400)는 레이저 시스템(300) 및 급냉부(800)의 각각의 내부 제어부를 제어하거나 레이저 시스템(300) 및 급냉부(800)을 직접 제어할 수 있다.
동작 시스템(500)은 작업대(600)의 동작, 예를 들어, 재료 공급부(700)로부터의 재료의 공급 동작, 및 레이저 시스템(300) 및 급냉부(800)의 위치 제어를 할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 3D 프린터(20)는 레이저를 사용하는 다양한 방식의 3D 프린터, 예를 들어, SLM 방식의 3D 프린터 일 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 커버층(120)을 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 3D 프린터(20)를 이용한 형상 적응형 냉각 채널(210)이 형성된 몰드(10) 제조 방법에 있어서, 3D 프린터(20)로, 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 따라 형성되고, 상측 표면을 따라 상측 표면에 인접하게 냉각 채널(210)이 형성된 냉각 파트(200)를 출력한다. 레이저 시스템(300)으로 상측 표면을 용융하여 성형할 물품의 형상을 정의하는 커버층(120)을 형성한다. 여기서, 커버층(120)의 공극률은 냉각 파트(200)의 공극률보다 낮다. 이를 통해, 다량의 물품을 몰드(10)를 통해 효율적으로 생산할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 커버층(120)을 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 레이저 시스템(300)은 피코 초 또는 펨토 초 이하의 주기를 갖는 펄스 레이저를 상측 표면에 조사하여 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 정의하도록 용융시킬 수 있다. 이 경우, 여러 단계를 거치지 않고 정밀도 및 표면 조도 모두를 향상시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 커버층(130)을 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 레이저 시스템(300)에 의한 용융 시 급냉시켜 커버층(130)을 비정질 상태로 만들 수 있다. 이를 통해, 보다 몰드(10)의 수명을 보다 연장시킬 수 있으며, 물품의 매끄러운 표면의 구현이 보다 보장된다.
본 발명은 본 발명의 기술 사상과 본질적 특징을 벗어나지 않고 다른 특정적인 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 전술한 실시예는 모든 측면에서 본원에 개시된 발명을 제한하는 것이 아니라 도시적인 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 전술된 기재가 아니라 첨부된 청구항에 의해 지시되며, 이러한 청구항의 취지 및 등가물의 범주 내에 있는 모든 변경은 본 발명의 범주 내에 포함된다.
10: 몰드 20: 3D 프린터
100: 제 1 표면 110: 제 2 표면
120: 커버층 130: 커버층
200: 냉각 파트 210: 냉각 채널
300: 레이저 시스템 310: 레이저 출력부
320: 미러 330: 스캐닝부
400: 메인 제어부 500: 동작 시스템
600: 작업대 700: 재료 공급부
800: 급냉부

Claims (8)

  1. 3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드에 있어서,
    3D 프린터로 출력되고, 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 따라 형성되고, 상기 상측 표면을 따라 상기 상측 표면에 인접하게 냉각 채널이 형성되는 냉각 파트; 및
    상기 상측 표면을 레이저 시스템으로 용융하여 형성된 상기 성형할 물품의 형상을 정의하는 커버층;을 포함하고,
    상기 커버층의 공극률은 상기 냉각 파트의 공극률보다 낮은 것을 특징으로 하는 몰드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 시스템은 상기 용융 전에 상기 상측 표면이 상기 성형할 물품의 형상을 정의하도록 삭마(ablation)하는 것을 특징으로 하는 몰드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 시스템은 피코 초 또는 펨토 초 이하의 주기를 갖는 펄스 레이저를 상기 상측 표면에 조사하여 상기 상측 표면이 상기 성형할 물품의 형상을 정의하도록 용융시키는 것을 특징으로 하는 몰드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 시스템에 의한 용융 후 급냉시켜 상기 커버층을 비정질 상태로 만드는 것을 특징으로 하는 몰드.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 레이저 시스템에 의한 용융 후 급냉시켜 상기 커버층을 비정질 상태로 만드는 것을 특징으로 하는 몰드.
  6. 3D 프린터를 이용한 형상 적응형 냉각 채널이 형성된 몰드 제조 방법에 있어서,
    3D 프린터로, 상측 표면이 성형할 물품의 형상을 따라 형성되고, 상기 상측 표면을 따라 상기 상측 표면에 인접하게 냉각 채널이 형성된 냉각 파트를 출력하고,
    레이저 시스템으로 상기 상측 표면을 용융하여 상기 성형할 물품의 형상을 정의하는 커버층을 형성하고,
    상기 커버층의 공극률은 상기 냉각 파트의 공극률보다 낮은 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 레이저 시스템은 피코 초 또는 펨토 초 이하의 주기를 갖는 펄스 레이저를 상기 상측 표면에 조사하여 상기 상측 표면이 상기 성형할 물품의 형상을 정의하도록 용융시키는 것을 추가하는 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저 시스템에 의한 용융 시 급냉시켜 상기 커버층을 비정질 상태로 만드는 것을 추가하는 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
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KR (1) KR20200006277A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112893840A (zh) * 2021-01-28 2021-06-04 上海应用技术大学 选区激光熔化成型随型冷却水道模具嫁接制造方法
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PL445421A1 (pl) * 2023-06-30 2025-01-07 Politechnika Wrocławska Metoda wytwarzania konformalnych kanałów chłodzących w narzędziach do kucia i wyciskania
DE102023117483A1 (de) * 2023-07-03 2025-01-09 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Werkzeughälfte eines Gusswerkzeuges sowie additives Fertigungsverfahren zur Herstellung einer Werkzeughälfte

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