3D printing 표면처리 - 3D printing pyomyeoncheoli

Abstract

본 발명은 초음파 및 전해 연마를 이용한 금속 제품의 표면 처리 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 1) 금속분말을 이용하여 3D 프린팅 방법으로 금속 제품을 제조하는 단계; 2) 상기 제조된 금속 제품을 전해액에 침지하는 단계; 및 3) 상기 전해액에 전압 및 전류를 인가함과 동시에 초음파를 인가하여, 상기 금속제품의 표면을 개질하는 단계;를 포함하여, 상기 금속 제품의 표면 개질은, 상기 3D 프린팅 방법으로 제조된 금속 제품 표면에 남아있는 잔류 금속 분말을 제거하고 표면의 조도를 감소시켜 상기 금속제품의 표면을 평탄화하는 것을 특징으로 하는, 초음파 및 전해 연마를 이용한 금속 제품의 표면 처리 방법을 개시한다.

Description

3D 프린팅 금속 제품의 표면 처리 방법{METHOD FOR TREATING SURFACE OF 3D PRINTING METAL PRODUCTS}

본 발명은 3D 프린팅 금속 제품의 표면 처리 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초음파 및 전해연마 기술을 이용하여 3D 프린팅 제품의 표면 조도를 제어하는 3D 프린팅 금속 제품의 표면 처리 방법에 관한 것이다.

3D 프린팅이란 3차원 물체를 기존의 절삭가공 방식이 아닌 적층하는 방식으로 실물 제품을 찍어내는 프린터 기술을 말한다. 3D 프린트는 기존 절삭가공 방식의 경우 복잡한 모형의 형상을 제조할 수 없는 한계점을 뛰어 넘어 제품 형상의 구현에 한계를 갖지 않는다는 장점을 가진다. 3D 프린팅을 적용하는 기술은 현재 양산되고 있는 제품의 80%에까지 근접하고 있으며, 재료의 종류로는 플라스틱, 파우더, 고무, 왁스, 금속, 나무, 종이 등 약 30가지 정도가 가능하다. 재료의 색상은 다양한 색상을 지원하는 재료가 출시되고 있으며, 후가공으로 도금 처리까지 가능한 특징을 가진다.

이러한 3D 프린팅 기술은, 최근 제조 분야의 파괴적 혁신을 유발하고, 일각에서는 내연기관·컴퓨터를 이은 3차 산업혁명의 주역으로 평가되고 있으며, 이에 따라 각국 정부의 산업 및 R&D 주도권을 확보하기 위한 노력도 치열하게 전개되고 있다. 그러나 3D 프린터 기술이 매력적이긴 하나 조형 속도, 표면 해상도, 조형물의 강도, 가공 재료 한계, 컴퓨터 복잡성 등에서 많은 한계에 노출되어 있다. 예를 들어, 표면 해상도의 경우 수십 나노미터대의 정밀도 구현이 가능하면서 양산성을 확보한 반도체 나노공정 등과는 크게 뒤떨어진 상황이다. 특히, 금속을 이용한 3D 프린팅 제품은 구조적 특성상 기계적 가공 처리가 제한적이어서, 표면 조도의 조절이 어렵고, 낮은 표면 조도를 요구하는 제품의 경우에는 후처리가 반드시 필요한 실정이다.

이에 본 발명자들은, 이러한 기술적 요구에 착안하여 금속을 이용한 3D 프린팅 제품의 표면 조도를 제어할 수 있도록, 초음파 및 전해연마 기술을 이용하여 표면처리를 할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 초음파 및 전해연마 기술을 이용하는, 3D 프린팅 금속 제품의 표면 처리 방법을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면,

1) 금속분말을 이용하여 3D 프린팅 방법으로 금속 제품을 제조하는 단계;

2) 상기 제조된 금속 제품을 전해액에 침지하는 단계; 및

3) 상기 전해액에 전압 및 전류를 인가함과 동시에 초음파를 인가하여, 상기 금속제품의 표면을 개질하는 단계;를 포함하여,

상기 금속 제품의 표면 개질은, 상기 3D 프린팅 방법으로 제조된 금속 제품 표면에 남아있는 잔류 금속 분말을 제거하고 표면의 조도를 감소시켜 상기 금속제품의 표면을 평탄화하는 것을 특징으로 하는, 초음파 및 전해 연마를 이용한 금속 제품의 표면 처리 방법을 제공한다.

상기 본 발명에 따르면, 3D 프린팅 제품의 표면 처리에 있어서 초음파를 인가함과 동시에 전해연마를 실시함으로써 3D 프린팅 방법에 의하여 제품 표면에 남아있는 금속 분말을 제거하고 표면을 매끄럽게 하여 표면의 조도를 낮추게 되어, 표면을 개질할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 전해연마의 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명에 따른 초음파 전해 연마되기 전 3D 프린팅 제품표면의 SEM 사진을, 도 2b는 초음파 전해 연마 후의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 초음파 전해 연마시 전압조건 및 인가시간을 달리한 경우에 따른 3D 프린팅 제품 표면의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 초음파 전해 연마시 전압조건 및 인가시간을 달리한 경우에 따른 3D 프린팅 제품 표면의 표면 조도와 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 초음파 전해 연마시 전압조건 및 인가시간을 달리한 경우에 따른 a: 두께변화, b: 무게변화, c: Ra, d: Rz를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 초음파 전해 연마 시간에 따른 금속 제품의 사진을 나타낸 것이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 금속제품의 표면처리 방법을 자세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 전해연마의 메커니즘을 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 금속 제품의 표면 처리 방법은 초음파를 인가하면서 전해연마를 실시하여 금속 제품의 표면을 개질하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명의 일 측면에 따르면, 1) 금속분말을 이용하여 3D 프린팅 방법으로 금속 제품을 제조하는 단계; 2) 상기 제조된 금속 제품을 전해액에 침지하는 단계; 및 3) 상기 전해액에 전압 및 전류를 인가함과 동시에 초음파를 인가하여, 상기 금속제품의 표면을 개질하는 단계;를 포함하여, 상기 금속 제품의 표면 개질은, 상기 3D 프린팅 방법으로 제조된 금속 제품 표면에 남아있는 잔류 금속 분말을 제거하고 표면의 조도를 향상시켜 상기 금속제품의 표면을 평탄화하는 것을 특징으로 하는, 초음파 및 전해 연마를 이용한 금속 제품의 표면 처리 방법이 제공된다.

상기 본 발명의 방법에 따르면 먼저 1) 단계는, 금속분말을 이용하여 3D 프린팅 방법으로 금속 제품을 제조한다. 이 때, 상기 제조된 금속 제품의 표면은, 3D 프린팅 공정 중에서 떨어져 나간 금속 분말이 제품 표면에 형성된 구형의 분말 틈에 물리적으로 끼어 있거나 반데르 발스 결합 또는 아주 미량의 표면에서 금속 결합을 하는 등의 경우로 잔류하게 되고, 3D 프린팅시 완벽하게 표면처리가 이루어지기 어려우므로 구형의 분말 형상으로 형성되어 표면이 다소 울퉁불퉁하게 형성되게 된다.

다음으로 2) 단계는, 상기 금속제품을 전해액에 침지하는 단계로, 초음파 및 전해연마를 준비하는 단계이다. 이 때, 상기 전해액은 유기용매, 증류수, 산 화합물 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다. 상기 유기용매로는 메탄올, 에탄올, 에틸렌 글라이콜, 2-부톡시 에탄올 등을 사용할 수 있고, 상기 산 화합물로는 CrO3-빙초산(chromium(VI) oxide glacial acetic acid), 황산, 염산, 불화수소산, 인산, 락트산, 시트르산, 옥살산 및 과염소산 중에서 하나 이상 선택하여 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 상기 전해액으로 무수 에탄올과 60% 과염소산을 9:1로 혼합한 혼합용액을 사용하였다.

다음으로 3) 단계는 초음파 및 전해연마를 실시하는 단계로, 상기 금속 제품이 침지된 전해액에 전압 및 전류를 인가함과 동시에 초음파를 인가하여 금속제품의 표면을 개질하게 된다.

관련하여 도 1은 본 발명에 따른 상기 초음파 속 전해연마의 메커니즘을 나타낸 것으로 이를 참고하면, 전해액에 침지한 금속제품 표면에 형성된 금속 분말 등의 미소 돌출 부위가 선택적으로 용해되기 시작하하여 용해가 진행되면서 동시에 돌출 부위 뿐만 아니라 돌출 부위 하단에서도 선택적으로 용해가 진행된다. 이에 따라 표면의 잔류 금속 분말 등 미소 돌출 부위가 떨어져나가고 금속제품 표면의 조도가 감소되어 금속제품의 표면이 평탄화가 이루어지는 것이다.

이 때, 상기 초음파 속 전해연마를 실시하는 경우, 인가되는 전압은 10~40V가 바람직하다. 또한 인가되는 전류는 0.5~5A 범위가 바람직하다. 상기 범위 미만으로 전압 및 전류를 인가할 경우 전해연마가 균일하게 잘 이루어지지 않고 국부적으로 식각만 진행되며, 상기 범위를 초과하는 전압 및 전류를 인가하는 경우에는 전해연마의 속도는 빨라 질 수 있으나 피팅(pitting)과 함께 금속제품의 표면에 오히려 손상을 입게될 우려가 있어 바람직하지 않다.

또한 상기 초음파는 20~100 kHz의 범위로 인가하는 것이 바람직하다. 상기 범위 미만으로 인가 시 분말이 제거되기 힘든 문제가 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 수십 ㎛대의 mesh 형태가 손상가능한 문제가 있다.

또한 상기 초음파 속 전해연마는 60초 이상 실시하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 60초 내지 300초간 실시하는 것이 형상정밀도를 유지하는 면에서 좋다.

또한 상기 초음파 속 전해연마시 온도범위는 -30℃~4℃ 범위가 전해연마시 발생하는 발열반응을 안정적으로 유지하고, 폭발적인 반응을 방지하며 절절한 반응속도를 유지하기 위해 알맞다.

이와 같이 초음파 속에서 전해연마를 실시하게 되면, 상기 3D 프린팅 방법으로 제조된 금속 제품의 표면에 남아있는 금속분말 중 제품과 결합력이 약하게 잔류한 금속분말은 초음파의 영향만으로도 제거가 되고, 이는 잔류한 금속분말까지 전해연마 됨으로써 잃은 효율을 제품의 전해연마 효과로 극대화할 수 있으므로, 표면조도를 낮추고자 하는 전해연마의 효과를 향상시킬 수 있다.

즉, 단순히 전해연마만을 실시하는 경우에는 전해연마를 위한 전기에너지가 제공됨에 따라, 표면부의 초음파로 제거 가능한 잔류금속분말에 대해 먼저 전해연마를 하게 되어 효율성이 감소되는 문제가 있고, 또한, 초음파 처리를 한 후 전해연마를 할 경우, 시간의 소요에 따른 생산성이 저하 될 수 있는 문제가 있다. 따라서 본 발명에 따르면 전해연마와 초음파 처리를 동시에 진행함으로써 초음파 진동에 의하여 잔류 금속 분말 등 미세 돌출 부위를 제거함과 동시에 전해연마에 따른 표면 처리를 하게 되어 매우 효율적으로 표면 개질을 수행할 수 있게 되어 생산성을 현저하게 개선하게 된다. 즉, 일반 금속소재와는 다르게 금속 3D 프린팅의 특성상 발생하는 치명적인 금속분말의 표면잔류 문제를 효율적으로 개선할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 표면 처리 방법에 따르면, 초음파를 인가함과 동시에 전해연마를 실시하게 되어 3D 프린팅 제품의 표면에 잔류하는 금속 분말을 제거하고 금속 제품 표면의 조도를 낮추게 되어, 표면을 개질할 수 있게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

1-1 3D 프린팅 제품의 제조

Arcam사의 A2X 장비와 상용 pure Ti grade 2 (평균입도 73㎛)의 금속분말을 활용하여, 3차원 CAD를 통해 디자인한 20x20x5 mm 시편을 전자빔용해법(Electron beam melting, EBM) 방식으로 제조하였다. 제조 파라미터는 Arcam에서 제공한 파라미터를 사용하였다.

1-2 초음파 전해 연마

초음파를 인가한 환경에서 전해연마를 하기 위해, 초음파의 파워를 가변할 수 있는 장치의 욕조 내에 Struers사의 LectroPol-5 간이 전해연마조를 설치하고 이를 이용하여, 상기 실시예 1-1에서 제조된 3D 프린팅 제품을 상기 장치에 투입하고, 초음파를 인가하면서 전압 및 전류를 인가하여 초음파 전해연마를 실시하였다.

제조된 시편에 대해서는 SEM 분석을 실시하였다.

도면을 참고하여 상기 실시예의 결과를 설명하면 다음과 같다.

도 2a는 본 발명에 따른 초음파 전해 연마되기 전 3D 프린팅 제품표면의 SEM 사진을, 도 2b는 초음파 전해 연마 후의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 이 때 상기 초음파 전해 연마는 15V의 전압조건으로, 80kHz의 초음파를 인가하여 120초간 초음파 전해 연마를 실시하였다.

이를 참고하면 초음파 전해 연마 단계를 거침에 따라, 시편 표면의 구형 금속 분말 형상이 관찰되지 않을 뿐 아니라, 표면이 깎여져 연마가 잘 이루어졌음을 확인할 수 있고, 이러한 표면 개질에 의하여 두께도 감소함을 확인할 수 있다.

특히 도 2b를 참고하면, 금속분말에 의해 표면이 미세하게 거칠며, 전자빔의 스캔 라인을 따라 굴곡이 존재하는 것을 알 수 있으며, 이를 표면조도계 Dektak150(Veeco, 미국)으로 측정한 결과 Ra가 평균 44 ㎛, Rz가 평균 245 ㎛인 것으로 확인되었다.

도 3은 초음파 전해 연마시 전압조건 및 인가시간을 달리한 경우에 따른 3D 프린팅 제품 표면의 SEM 사진을, 도 4는 인가전압 및 인가시간에 따른 SEM 사진을 그래프화하여 나타낸 것이다.

이를 참고하면, 동일한 전압을 인가하였을 때, 인가시간이 증가할수록 표면의 금속분말이 제거되고 표면 개질이 이루어지고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 초음파 전해연마 시간이 동일한 경우에 전압이 증가할수록 표면에 잔류하는 금속분말이 감소하고 표면이 매끄러워지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 초음파 전해 연마시 인가하는 전압이 증가할수록, 초음파 전해 연마 시간이 증가할수록 표면의 금속분말이 거의 제거되고 표면이 개질됨을 확인할 수 있다.

또한 도 5a는 초음파 전해 연마시 전압조건 및 처리시간을 달리한 경우에 따른 두께변화를 나타낸 것으로, 초음파 전해 연마시 인가하는 전압이 증가할수록, 초음파 전해 연마 시간이 증가할수록 두께가 감소되는 것으로 확인되었고, 초음파 전해 연마 시간이 60초 이상에서 보다 현저한 감소 양상을 나타냄을 확인할 수 있었다.

또한 도 5b는 초음파 전해 연마시 전압조건 및 처리시간을 달리한 경우에 따른 무게변화를 나타낸 것으로, 초음파 전해 연마시 인가하는 전압이 증가할수록, 초음파 전해 연마 시간이 증가할수록 표면이 연마됨에 따라 무게가 감소되는 것으로 확인되었고, 초음파 전해 연마 시간이 60초 일 때까지는 미미한 변화를 나타내다가 60초 이상 인가시 현저하게 무게가 감소되는 양상을 나타내었다.

또한 도 5c는 초음파 전해 연마시 전압조건 및 처리시간을 달리한 경우에 따른 표면 조도 Ra의 변화를 나타낸 것으로, 초음파 전해 연마시 인가하는 전압이 증가할수록, 초음파 전해 연마 시간이 증가할수록 표면이 연마됨에 따라 표면 조도가 감소되는 양상을 보였다. 전압 조건이 10V, 20V인 경우에는 표면 조도의 감소가 상대적으로 작게 나타났으나, 30V를 인가한 경우 초음파 전해 연마 시간이 60초 일 때까지는 10V, 20V를 인가한 경우와 유사하게 감소하다가 60초 이상에서 현저하게 조도가 감소되는 양상을 나타내었다.

또한 도 5d는 초음파 전해 연마시 전압조건 및 처리시간을 달리한 경우에 따른 표면 조도 Rz의 변화를 나타낸 것으로, 초음파 전해 연마시 인가하는 전압이 증가할수록, 초음파 전해 연마 시간이 증가할수록 표면이 연마됨에 따라 표면 조도가 감소되는 양상을 보였다. 전압 조건이 10V, 20V인 경우에는 표면 조도의 감소가 상대적으로 작게 나타났고 거의 유사한 경향을 보였으나, 30V를 인가한 경우 시간 경과에 따라 조도가 현저하게 감소되었고, 특히 60초 이상에서 보다 더 현저하게 조도가 감소되는 양상을 나타내었다.

전압과 시간이 증대되면 Ra와 Rz는 감소하여 효율적이지만, 금속제품의 유효두께까지 감소하게 되므로 이의 효율적 제어를 위해 두께 감소량이 250 ㎛인 영역까지만 연마를 실시하면 된다. 250 ㎛는 초음파 인가 전해연마 전 제품의 Rz로서 그 이상은 치수에 영향을 줄 수 있고, 복잡형사을 제조하는 3D 프린팅의 특성 상 균일한 연마는 제한이 있기 때문이다.

도 6은 -20℃의 분위기에서 30V, 1.7A의 전압 및 전류를 인가하면서, 25 kHz의 초음파를 인가하여 초음파 전해연마를 실시한 경우, 시간을 달리함에 따른 시편의 사진을 나타낸 것이다. 시간의 경과에 따라 표면이 보다 매끄러워짐을 확인할 수 있다. 구체적으로, 초음파 전해연마 전 Ra가 평균 44 ㎛, Rz가 평균 245 ㎛에서 초음파 전해연마 30초 후 Ra가 평균 38 ㎛, Rz가 평균 192 ㎛, 60초 후 Ra가 평균 33 ㎛, Rz가 평균 165 ㎛, 300초 후 Ra가 평균 21 ㎛, Rz가 평균 107 ㎛로 확인되어, Ra는 전해 연마 전 평균 Ra와 비교하여 70% 이상 감소되었고, Rz는 전해 연마 전 Rz와 비교하여 55% 이상 감소되었다.

상기 실시예의 결과로부터 본 발명에 따르면 전해연마와 초음파 처리를 동시에 진행함으로써 초음파 진동에 의하여 잔류 금속 분말 등 미세 돌출 부위를 제거함과 동시에 전해연마에 따른 표면 처리를 하게 되어, 3D 프린팅 제품의 표면에 잔류하는 금속 분말을 제거하고 금속 제품 표면의 조도를 낮추게 되어, 표면을 개질할 수 있음을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 초음파 및 전해 연마를 이용한 금속 제품의 표면 처리 방법에 관하여 한정된 도면 및 실시예에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 도면에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허 청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.