KR102099575B1 - 3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 3차원 형상 조형물 - Google Patents

3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 3차원 형상 조형물 Download PDF

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Abstract

금형으로서 보다 적합한 가온 특성을 갖는 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 제공하기 위해서, 본 발명에서는, (i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및 (ii) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 추가로 고화층을 형성하는 공정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복 실행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다. 특히, 본 발명의 제조 방법에서는, 3차원 형상 조형물의 내부에 가온원 요소를 마련하는 동시에, 3차원 형상 조형물의 표면을 요철 형상으로 형성하고, 가온원 요소의 주면과 요철 형상의 표면을 서로 동일 형상으로 한다.

Description

3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 3차원 형상 조형물
본 개시는 3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 3차원 형상 조형물에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 개시는, 분말층에의 광 빔 조사에 의해 고화층을 형성하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법, 및 그에 따라 얻어지는 3차원 형상 조형물에 관한 것이다.
광 빔을 분말 재료에 조사하는 것을 통하여 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법(일반적으로는 「분말 소결 적층법」이라 칭해짐)은 종래부터 알려져 있다. 이러한 방법은 이하의 공정 (i) 및 (ii)에 근거하여 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복 실시하여 3차원 형상 조형물을 제조한다.
(i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하고, 이러한 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정.
(ii) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 마찬가지로 광 빔을 조사하여 추가로 고화층을 형성하는 공정.
이러한 제조 기술에 따르면, 복잡한 3차원 형상 조형물을 단시간에 제조하는 것이 가능해진다. 분말 재료로서 무기질의 금속 분말을 이용하는 경우, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용할 수 있다. 한편, 분말 재료로서 유기질의 수지 분말을 이용하는 경우, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 각종 모델로서 사용할 수 있다.
분말 재료로서 금속 분말을 이용하고, 그에 따라 얻어지는 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용하는 경우를 예로 든다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 우선, 스퀴징 블레이드(23)를 움직여 조형 플레이트(21) 상에 소정 두께의 분말층(22)을 형성한다(도 11의 (a) 참조). 이어서, 분말층(22)의 소정 개소에 광 빔(L)을 조사하여 분말층(22)에 고화층(24)을 형성한다(도 11의 (b) 참조). 이어서, 얻어진 고화층(24) 위에 새로운 분말층(22)을 형성하고 재차 광 빔을 조사하여 새로운 고화층(24)을 형성한다. 이와 같이 하여 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복 실시하면 고화층(24)이 적층되게 되고(도 11의 (c) 참조), 최종적으로는 적층화된 고화층(24)으로 이루어지는 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있다. 최하층으로서 형성되는 고화층(24)은 조형 플레이트(21)와 결합한 상태가 되므로, 3차원 형상 조형물과 조형 플레이트(21)는 일체화물을 이루게 되며, 그 일체화물을 금형으로서 사용할 수 있다.
일본 특허 공표 평1-0502890 호 공보 일본 특허 공개 제 2000-73108 호 공보
3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용하는 경우, 이른바 "코어측"과 "캐비티측"의 금형을 조합하여 형성되는 금형 캐비티부에 대하여 용융 상태의 성형용 원료를 충전하여, 최종적인 성형품을 얻는다. 구체적으로는, 용융 상태의 성형용 원료를 금형 캐비티부에 충전할 때에는, 성형용 원료가 금형 캐비티부의 전체에 골고루 퍼지도록 성형용 원료를 가압하는 보압(保壓) 조작을 실행하는 동시에, 성형용 원료를 금형 캐비티부 내에서 냉각하는 것을 실행하여 성형용 원료를 고화시킨다. 이에 의해 성형용 원료로부터 성형품이 최종적으로 얻어지게 된다.
성형용 원료의 냉각은 금형 캐비티부에 충전된 성형용 원료의 열이 금형으로 전달되는 것에 의해 이루어지지만, 성형용 원료가 필요 이상으로 빨리 냉각되면, 금형 캐비티부 내에서 성형용 원료를 충분히 가압하지 못하여, 성형 불량을 일으키는 요인이 되어 버린다. 따라서, 금형으로서 이용하는 3차원 형상 조형물의 내부에 히터를 마련하고, 금형 캐비티부 내의 성형용 원료를 가온하는 것이 제안되어 있다(일본 특허 제 3557926 호 공보 및 일본 특허 제 5584019 호 공보).
본원 발명자들은, 3차원 형상 조형물의 내부에 마련한 히터 또는 가온 매체로 등의 가온원 요소의 형태의 여하에 따라서는 성형용 원료를 효과적으로 가온할 수 없는 경우가 있는 것을 발견했다. 일반적으로 이용되는 가온원 요소는, 그 단면 윤곽이 비교적 간이한 형상(예를 들면, 직사각형상 또는 원형상 등의 간이한 형상)으로 되어 있는 바, 그러한 가온원 요소로부터의 열은 균일하게 금형 캐비티부까지 전달되기 어려운 것이 요인 중 하나로 추측된다. 가온원 요소로부터의 전열 특성이 보다 균일하지 않게 되면, 금형 캐비티부에 충전된 성형용 원료에 있어서 필요 이상으로 빨리 냉각되는 개소가 생겨 버려, 금형 캐비티부 내에서 성형용 원료를 전체적으로 충분히 가압할 수 없게 될 우려가 있다. 즉, 성형 불량이 생길 우려가 있다. 예를 들면, 최종적으로 얻어지는 성형품에 있어서 웰드 라인(weld line) 등이 생겨 버려, 성형품의 형상 정밀도가 저하된다는 문제가 생길 수 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 주요 과제는, 금형으로서 보다 적합한 가온 특성을 갖는 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 제공하는 것이며, 또한 가온 특성이 보다 호적하게 된 3차원 형상 조형물을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시형태에서는,
(i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 해당 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ii) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 해당 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 추가로 고화층을 형성하는 공정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복 실행하여 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법으로서,
3차원 형상 조형물의 제조에 있어서, 가온원 요소를 3차원 형상 조형물의 내부에 마련하는 동시에, 3차원 형상 조형물의 표면을 요철 형상으로 형성하고, 또한,
가온원 요소의 주면과, 요철 형상의 표면을 서로 동일 형상으로 하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에서는, 가온원 요소를 내부에 구비한 3차원 형상 조형물으로서,
3차원 형상 조형물의 표면이 요철 형상을 갖고, 가온원 요소의 주면과 요철 형상의 표면이 서로 동일 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물도 제공된다.
본 발명의 제조 방법 및 3차원 형상 조형물에 따르면, 금형으로서 보다 적합한 가온 특성을 갖는 3차원 형상 조형물이 얻어진다. 즉, 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용하는 경우, 가온원 요소로부터 금형 캐비티부로의 전열이 보다 균일하게 되는 금형이 얻어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법으로 얻어지는 3차원 형상 조형물을 도시한 모식적 단면도,
도 2는 금형으로서 사용되는 3차원 형상 조형물의 태양을 도시한 모식적 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법으로 실시하는 공정을 경시적으로 도시한 모식적 단면도,
도 4는 바람직한 스퀴징 블레이드의 형태를 도시한 모식적 사시도
도 5는 「단열 포러스 영역의 형성 태양」을 도시한 모식적 단면도,
도 6은 「가온원 요소 보호 부재의 설치 태양」을 도시한 모식적 단면도,
도 7은 「전열 부재의 설치 태양」을 도시한 모식적 단면도,
도 8은 「하이브리드 방식에 의한 고화층 형성 태양」을 도시한 모식적 단면도,
도 9는 가스 통기부가 마련된 3차원 형상 조형물을 도시한 모식적 단면도,
도 10은 냉각 액로가 마련된 3차원 형상 조형물을 도시한 모식적 단면도,
도 11은 분말 소결 적층법이 실시되는 광 조형 복합 가공의 프로세스 태양을 도시한 모식적 단면도,
도 12는 광 조형 복합 가공기의 구성을 도시한 모식적 사시도,
도 13은 광 조형 복합 가공기의 일반적인 동작을 나타내는 흐름도.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법 및 3차원 형상 조형물을 보다 상세하게 설명한다. 도면에 있어서의 각종 요소의 형태 및 치수는 어디까지나 예시에 지나지 않으며, 실제의 형태 및 치수를 반영하는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서 「분말층」이란, 예를 들면 「금속 분말로 이루어지는 금속 분말층」 또는 「수지 분말로 이루어지는 수지 분말층」을 의미하고 있다. 또한 「분말층의 소정 개소」란, 제조되는 3차원 형상 조형물의 영역을 실질적으로 가리키고 있다. 따라서, 이러한 소정 개소에 존재하는 분말에 대하여 광 빔을 조사하는 것에 의해, 그 분말이 소결 또는 용융 고화되어 3차원 형상 조형물을 구성하게 된다. 또한 「고화층」이란, 분말층이 금속 분말층인 경우에는 「소결층」을 의미하며, 분말층이 수지 분말층인 경우에는 「경화층」을 의미하고 있다.
또한, 본 명세서에서 직접적 또는 간접적으로 설명하는 "상하"의 방향은, 예를 들어 조형 플레이트와 3차원 형상 조형물의 위치 관계에 근거하는 방향이며, 조형 플레이트를 기준으로 하여 3차원 형상 조형물이 제조되는 측을 「상부 방향」이라 하고, 그 반대측을 「하부 방향」이라 한다.
[분말 소결 적층법]
우선, 본 발명의 제조 방법의 전제가 되는 분말 소결 적층법에 대하여 설명한다. 특히 분말 소결 적층법에 있어서 3차원 형상 조형물의 절삭 처리를 부가적으로 실행하는 광 조형 복합 가공을 예로 든다. 도 11은, 광 조형 복합 가공의 프로세스 태양을 모식적으로 도시하고 있으며, 도 12 및 도 13은 분말 소결 적층법과 절삭 처리를 실시할 수 있는 광 조형 복합 가공기(1)의 주요 구성 및 동작의 흐름도를 각각 나타내고 있다.
광 조형 복합 가공기(1)는, 도 12에 도시하는 바와 같이, 분말층 형성 수단(2), 광 빔 조사 수단(3) 및 절삭 수단(4)을 구비하고 있다.
분말층 형성 수단(2)은 금속 분말 또는 수지 분말 등의 분말을 소정 두께로 까는 것에 의해 분말층을 형성하기 위한 수단이다. 광 빔 조사 수단(3)은 분말층의 소정 개소에 광 빔(L)을 조사하기 위한 수단이다. 절삭 수단(4)은 적층화된 고화층의 측면, 즉 3차원 형상 조형물의 표면을 절삭하기 위한 수단이다.
분말층 형성 수단(2)은, 도 11에 도시하는 바와 같이, 분말 테이블(25), 스퀴징 블레이드(23), 조형 테이블(20) 및 조형 플레이트(21)를 주로 갖고서 이루어진다. 분말 테이블(25)은 외주가 벽(26)으로 둘러싸인 분말 재료 탱크(28) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 스퀴징 블레이드(23)는 분말 테이블(25) 상의 분말(19)을 조형 테이블(20) 상으로 제공하여 분말층(22)을 얻기 위해 수평 방향으로 이동할 수 있는 블레이드이다. 조형 테이블(20)은 외주가 벽(27)으로 둘러싸인 조형 탱크(29) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 그리고, 조형 플레이트(21)는 조형 테이블(20) 상에 배치되고, 3차원 형상 조형물의 토대가 되는 플레이트이다.
광 빔 조사 수단(3)은, 도 12에 도시하는 바와 같이, 광 빔 발진기(30) 및 갈바노 미러(31)를 주로 갖고서 이루어진다. 광 빔 발진기(30)는 광 빔(L)을 발광하는 기기이다. 갈바노 미러(31)는 발광된 광 빔(L)을 분말층에 스캐닝하는 수단, 즉 광 빔(L)의 주사 수단이다.
절삭 수단(4)은, 도 12에 도시하는 바와 같이, 밀링 헤드(40) 및 구동 기구(41)을 주로 갖고서 이루어진다. 밀링 헤드(40)는 적층화된 고화층의 측면을 절삭하기 위한 절삭 공구이다. 구동 기구(41)는 밀링 헤드(40)를 소망의 절삭해야 할 개소로 이동시키는 수단이다.
광 조형 복합 가공기(1)의 동작에 대하여 상술한다. 광 조형 복합 가공기(1)의 동작은, 도 13의 흐름도에 나타내는 바와 같이, 분말층 형성 단계(S1), 고화층 형성 단계(S2) 및 절삭 단계(S3)로 구성되어 있다. 분말층 형성 단계(S1)는 분말층(22)을 형성하기 위한 단계이다. 이러한 분말층 형성 단계(S1)에서는, 우선 조형 테이블(20)을 Δt 낮추어(S11), 조형 플레이트(21)의 상면과 조형 탱크(29)의 상부 단부면의 레벨 차이가 Δt가 되도록 한다. 이어서, 분말 테이블(25)을 Δt 높인 후, 도 11의 (a)에 도시하는 바와 같이 스퀴징 블레이드(23)를 분말 재료 탱크(28)로부터 조형 탱크(29)를 향하여 수평 방향으로 이동시킨다. 이에 의해, 분말 테이블(25)에 배치되어 있던 분말(19)을 조형 플레이트(21) 상으로 이송시킬 수 있으며(S12), 분말층(22)의 형성이 실행된다(S13). 분말층(22)을 형성하기 위한 분말 재료로서는, 예를 들어 「평균 입경 5㎛~100㎛ 정도의 금속 분말」 및 「평균 입경 30㎛~100㎛ 정도의 나일론, 폴리프로필렌 또는 ABS 등의 수지 분말」을 예로 들 수 있다. 분말층(22)이 형성되면, 고화층 형성 단계(S2)로 이행한다. 고화층 형성 단계(S2)는 광 빔 조사에 의해 고화층(24)을 형성하는 단계이다. 이러한 고화층 형성 단계(S2)에 있어서는, 광 빔 발진기(30)로부터 광 빔(L)을 발광하고(S21), 갈바노 미러(31)에 의해 분말층(22) 상의 소정 개소로 광 빔(L)을 스캐닝 한다(S22). 이에 의해, 분말층(22)의 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜, 도 11의 (b)에 도시하는 바와 같이 고화층(24)을 형성한다(S23). 광 빔(L)으로서는, 탄산 가스 레이저, Nd:YAG 레이저, 파이버 레이저 또는 자외선 등을 이용하여도 좋다.
분말층 형성 단계(S1) 및 고화층 형성 단계(S2)는 교대로 반복 실시한다. 이에 의해, 도 11의 (c)에 도시하는 바와 같이 복수의 고화층(24)이 적층화된다.
적층화된 고화층(24)이 소정 두께에 달하면(S24), 절삭 단계(S3)로 이행된다. 절삭 단계(S3)는 적층화된 고화층(24)의 측면, 즉 3차원 형상 조형물의 표면을 절삭하기 위한 단계이다. 절삭 공구로서 이용되는 밀링 헤드(40)(도 11의 (c) 및 도 12 참조)를 구동시키는 것에 의해 절삭 단계가 개시된다(S31). 예를 들면, 밀링 헤드(40)가 3㎜의 유효 칼날 길이를 갖는 경우, 3차원 형상 조형물의 높이 방향을 따라서 3㎜의 절삭 처리를 실행할 수 있으므로, Δt가 0.05㎜이면 60층분의 고화층(24)이 적층된 시점에서 밀링 헤드(40)를 구동시킨다. 구체적으로는 구동 기구(41)에 의해 밀링 헤드(40)를 이동시키면서, 적층화된 고화층(24)의 측면에 대하여 절삭 처리를 실시하게 된다(S32). 이러한 절삭 단계(S3)가 종료되면, 소망의 3차원 형상 조형물이 얻어지고 있는지의 여부를 판단한다(S33). 소망의 3차원 형상 조형물이 여전히 얻어지고 있지 않은 경우에는, 분말층 형성 단계(S1)로 되돌아간다. 이후, 분말층 형성 단계(S1) 내지 절삭 단계(S3)를 반복 실시하여 추가로 고화층(24)의 적층화 및 절삭 처리를 실시하는 것에 의해, 최종적으로 소망의 3차원 형상 조형물이 얻어진다.
[본 발명의 제조 방법]
본 발명의 제조 방법은 상술한 분말 소결 적층법 중, 고화층의 적층화에 관련된 태양에 특징을 갖고 있다.
구체적으로는, 분말 소결 적층법에 근거한 제조 시에, 가온원 요소를 3차원 형상 조형물의 내부에 마련하는 동시에, 3차원 형상 조형물의 표면을 요철 형상으로 형성한다. 특히 「3차원 형상 조형물의 내부에 마련하는 가온원 요소의 주면」과 「3차원 형상 조형물의 요철 형상의 표면」을 서로 동일 형상으로 한다. 이와 같이, 본 발명의 제조 방법에서는 3차원 형상 조형물의 내부의 가온원 요소의 형상과 3차원 형상 조형물의 표면 형상을 서로 상관짓는 것으로 한다.
도 1에, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법으로 얻어지는 3차원 형상 조형물(100)을 나타낸다. 3차원 형상 조형물(100)은 그 내부에 가온원 요소(12)가 포함되는 동시에, 표면(100A)이 요철 형상으로 되어 있다. 도시하는 바와 같이, 가온원 요소(12)의 주면(12A)은 3차원 형상 조형물(100)의 요철 형상의 표면(100A)과 동일 형상으로 되어 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 3차원 형상 조형물(100)의 표면(100A)과 가온원 요소(12)의 주면(12A)의 윤곽이 서로 반영된 형상을 갖도록 3차원 형상 조형물(100)의 제조를 실행한다.
본 발명에 있어서 「가온원 요소」는 3차원 형상 조형물(100)의 온도를 높이거나 또는 유지하는데 도움이 되는 열원을 가리키고 있다. 3차원 형상 조형물(100)이 금형으로서 사용되는 경우를 예로 들면, 「가온원 요소」는 금형 캐비티부의 성형용 원료에 대하여 가온하는 효과를 제공하는 요소를 의미하고 있다. 이러한 가온원 요소의 구체적인 예로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 히터 및 가온 매체로 등을 예로 들 수 있다. 또한, 가온원 요소에 관련하여 본 명세서에서 이용하는 "가온"이라는 용어는, 열을 제공하는 것에 의해 3차원 형상 조형물(100)의 온도를 높이거나 또는 유지하는 태양을 감안하여 사용하고 있다. 그리고, 본 발명에 있어서 「가온원 요소의 주면」이란, 가온원 요소에 있어서 보다 광범위한 면적을 차지하는 면을 실질적으로 의미하고 있다. 도 1에 도시하는 형태로 말하면, 가온원 요소(12)의 주면(12A)은 상측 주면(12A1) 및 하측 주면(12A2)이지만, 본 발명에서는 적어도 상측 주면(12A1)이 3차원 형상 조형물(100)의 요철 형상의 표면(100A)과 동일 형상으로 되어 있으면 좋다. 바람직하게는, 도 1에 도시하는 바와 같이 가온원 요소(12)의 상측 주면(12A1) 및 하측 주면(12A2)의 쌍방이 3차원 형상 조형물(100)의 요철 형상의 표면(100A)과 동일 형상으로 되어 있다.
본 발명에 있어서 「동일 형상」이란, 도 1에 도시하는 바와 같이, 고화층의 적층 방향을 따라서 절단하여 얻어지는 3차원 형상 조형물(100)의 단면도에 있어서, 가온원 요소(12)의 주면(12A)의 윤곽 형상과 3차원 형상 조형물(100)의 표면(100A)의 형상이 동일한 것을 의미하고 있다. 여기에서 말하는 「동일」이란, 실질적인 동일을 의미하고 있으며, 불가피적 또는 우발적으로 약간 어긋난 태양에 있어서도 본 발명에서의 「동일」에 포함된다. 또한, 가온원 요소(12)의 주면(12A)에 주목하여 말하면, 그것은 3차원 형상 조형물(100)의 요철 형상의 표면(100A)의 전체와 동일 형상으로 되어 있을 필요는 없으며, 표면(100A)의 적어도 일부와 동일 형상으로 되어 있으면 좋다(도 1 참조).
또한, 본 발명에 있어서 「표면을 요철 형상으로 형성함」이란, 3차원 형상 조형물에 있어서 외표면의 높이 레벨이 국소적으로 상이하도록 고화층을 형성하는 것을 의미하고 있다. 그 때문에, 본 발명에 있어서 「요철 형상의 표면」이란 3차원 형상 조형물의 높이 레벨이 국소적으로 상이한 외표면을 가리키고 있다. 여기서, 3차원 형상 조형물(100)이 금형으로서 사용되는 경우를 상정하면, 「요철 형상의 표면(100A)」은 이른바 "캐비티 형성면"에 상당한다(도 2 참조). 도 2에 도시하는 형태에서는, 금형으로서 사용되는 3차원 형상 조형물(100)(캐비티측의 금형)과 다른 3차원 형상 조형물(100')(코어측의 금형)이 조합되어 금형 캐비티부(200)가 형성된다.
본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 3차원 형상 조형물(100)이 금형으로서 성형에 사용되는 경우, 금형에 매설된 가온원 요소(12)로부터의 전열이 보다 균일하게 된다. 특히 가온원 요소(12)로부터 캐비티 형성면으로의 전열이 보다 균일하게 된다. 즉, 본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 3차원 형상 조형물(100)을 금형으로서 사용하면, 가온원 요소(12)로부터의 전열이 보다 균일하게 되는 것에 기인하여, 금형 캐비티부(200)에 충전된 성형용 원료가 불리하게 국소적으로 빨리 냉각되는 것이 방지되어, 금형 캐비티부(200)에서 성형용 원료를 보다 충분히 가압할 수 있게 된다. 그 결과, 성형 불량의 발생을 감소하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 웰드 라인 등의 발생이 감소되어, 성형품의 형상 정밀도의 저하가 방지될 수 있다. 또한, 금형 캐비티부로 성형용 원료를 보다 충분히 가압할 수 있는 것은, 금형의 캐비티 형성면에 대하여 성형용 원료가 보다 큰 압력으로 밀접할 수 있는 것을 의미하고 있으며, 최종적으로 얻어지는 성형품에 있어서 금형 전사성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 바람직하게는 가온원 요소(12)의 주면(12A)(특히 상측 주면(12A1))과 요철 형상의 표면(100A)의 이격 거리를 일정하게 한다. 즉, 3차원 형상 조형물(100)의 표면(100A)의 윤곽 형상이 "오프셋"된 윤곽 형상을 가온원 요소(12)의 주면(12A)(특히 상측 주면(12A1))이 갖도록 한다. 여기서 말하는 「이격 거리가 일정」이란, 서로 대향하는 가온원 요소(12)의 주면(12A)과 3차원 형상 조형물(100)의 요철 형상의 표면(100A)을 연결하는 법선이 어느 포인트에서도 동일한 길이를 갖는 것을 의미하고 있다. 즉, 가온원 요소(12)의 주면(12A) 또는 3차원 형상 조형물(100)의 표면(100A)의 어느 포인트에서의 법선에 있어서도, 가온원 요소(12)의 주면(12A)과 3차원 형상 조형물(100)의 표면(100A) 사이의 길이는 동일하게 되는 것을 의미하고 있다. 이에 의해, 3차원 형상 조형물(100)이 금형으로서 사용되는 경우, 가온원 요소(12)로부터의 금형 캐비티부로의 전열이 가온원 요소(12)의 주면(12A)을 따르는 방향에 있어서 보다 균일하게 된다. 따라서, 금형으로부터 얻어지는 최종적인 성형품에 있어서 형상 정밀도의 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.
다음에, 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법을 경시적으로 설명한다. 도 3의 (a) 내지 도 3의 (d)에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 분말 소결 적층법에 의해 고화층(24)을 적층화하는 도중 단계에서 가온원 요소(12)(도시하는 태양에서는 히터)를 마련한다.
우선, 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시하는 바와 같이, 조형 플레이트(21) 상에 분말층(22)을 형성한 후, 해당 분말층(22)에 대하여 광 빔(L)을 조사하여, 분말층(22)으로 고화층(24)을 형성한다. 즉, 분말 소결 적층법을 실시하고 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복 실시하여 고화층(24)의 적층화를 실행한다. 이와 같이 고화층(24)을 적층화시켜 가는 도중의 단계에서, 도 3의 (c)에 도시하는 바와 같이 가온원 요소(12)로서 히터를 마련한다. 구체적으로는, 분말층 형성 및 고화층 형성을 일단 정지하고, 그때까지 형성한 고화층(24) 상에 가온원 요소(12)로서 히터를 마련한다. 도시하는 태양에서 알 수 있는 바와 같이, 고화층 형성에 기여하지 않은 분말을 일단 제거한 후에 가온원 요소(12)로서의 히터를 마련하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 가온원 요소(12)의 설치 시에는, 이른바 "CAE 해석"(컴퓨터 지원 설계 해석)을 이용하여도 좋고, 그에 따라 미리 특정해 둔 위치에 가온원 요소(12)를 마련하여도 좋다.
여기서, 설치되는 가온원 요소(12)의 주면은, 최종적으로 얻어지는 3차원 형상 조형물의 요철 형상의 표면과 동일 형상을 갖는 것으로 해두는 것이 바람직하다. 가온원 요소(12)로서 히터를 이용하는 경우에서는, 그 가온원 요소(12)의 주면에 상당하는 "히터의 발열면"을 최종적으로 얻을 수 있는 3차원 형상 조형물의 요철 형상의 표면과 동일 형상으로 하는 것이 바람직하다. 환언하면, 히터 발열부의 주면을 3차원 형상 조형물의 요철 형상의 표면과 동일 형상으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 히터 발열부는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 용사 방식 등에 의해 미리 형성해 두어도 좋다.
도시하는 태양에서 알 수 있는 바와 같이, 가온원 요소(12)가 설치되는 「고화층(24)의 적층체」의 표면 형상은 가온원 요소(12)의 윤곽 형상과 동일하게 해 두는 것이 바람직하다. 이에 의해, 최종적으로 얻어지는 3차원 형상 조형물(100)의 내부에 있어서 공극없이 가온원 요소(12)를 매설시킬 수 있다. 또한, 가온원 요소(12)의 주면(12A)과 최종적으로 얻어지는 3차원 형상 조형물(100)의 요철 형상의 표면(100A)은 서로 동일 형상이 되므로(도 3의 (d) 참조), 가온원 요소(12)가 설치되는 「고화층(24)의 적층체」의 표면 형상은 3차원 형상 조형물(100)의 요철 형상의 표면(100A)과 동일하게 될 수 있다.
또한, 상기에 한정되는 일 없이, 가온원 요소가 설치되는 「고화층의 적층체」의 표면 형상을 가온원 요소의 윤곽 형상과 상이한 형상으로 하여도 좋다(도시하지 않음). 이에 의해, 최종적으로 얻어지는 3차원 형상 조형물의 내부에 있어서 「3차원 형상 조형물을 구성하는 고화층」과 「가온원 요소」 사이에 공극을 마련할 수 있다. 가온원 요소로서 히터를 이용하는 경우, 히터의 발열 조건에 따라서는 뒤틀림 또는 변형 등이 히터에 생기는 경우가 있을 수 있다. 따라서, 해당 공극을 마련하는 것에 의해, 히터의 뒤틀림 또는 변형을 위한 공간을 확보할 수 있어, 3차원 형상 조형물의 사용시에 있어서의 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.
가온원 요소(12)로서 이용하는 히터의 설치가 완료된 후에는, 그 설치 전과 동일한 분말 소결 적층법을 계속하여 실시한다. 즉, 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복 실시하여 고화층(24)의 적층화를 실행한다. 여기서, 가온원 요소(12)를 설치한 후에는 「가온원 요소(12)의 주면이 요철 형상을 갖고 있음」 및 「분말이 일단 제거되어 있음」 등에 기인하여 새로운 분말층을 형성하기 어려운 경우가 있다. 이러한 경우, 도 4에 도시하는 스퀴징 블레이드(23)를 이용하여 분말층을 형성하여도 좋다. 즉, 높이 치수가 폭 방향으로 국소적으로 상이한 형상을 갖는 스퀴징 블레이드(23)를 이용하여도 좋다. 이에 의해, 가온원 요소(12)를 설치한 후의 고화층의 적층체에 새로운 분말층을 호적하게 형성할 수 있다. 이러한 스퀴징 블레이드(23)는, 그 형상을 자유 자재로 변화할 수 있는 것이 바람직하며, 그에 따라 소망 형상의 분말층을 적절히 형성하는 것이 가능해진다. 또한, 도시하는 바와 같이 높이 치수가 폭 방향으로 국소적으로 상이한 형상을 갖는 스퀴징 블레이드(23)는 가온원 요소(12)를 설치하기 전에 사용하여도 좋고, 그에 따라 가온원 요소(12)가 설치되게 되는 요철 형상의 고화층(24)의 적층체의 형성에 이용할 수 있다.
최종적으로는, 도 3의 (d)에 도시하는 바와 같이 3차원 형상 조형물(100)의 표면(도시하는 태양에서는 3차원 형상 조형물(100)의 천정면)의 적어도 일부가 가온원 요소(12)의 주면(12A)과 동일 형상이 되도록 고화층의 적층화를 실시한다. 이에 의해, 소망의 3차원 형상 조형물(100)이 얻어지게 된다. 즉, 표면(100A)이 요철 형상을 갖고, 그 요철 형상의 표면(100A)과 동일 형상의 주면(12A)을 갖는 가온원 요소(12)가 매설된 3차원 형상 조형물(100)이 얻어진다.
여기서, 가온원 요소(12)로서 이용하는 히터에 대하여 상술해 둔다. 히터는, 예를 들어 시트 히터 또는 코일 히터 등이면 좋다. 시트 히터는, "시트 형상"이기 때문에, 그 주면이 비교적 크고, 3차원 형상 조형물(100)의 요철 형상의 표면(100A)과 동일 형상으로 하기 쉽다는 점에서 바람직하다. 또한, 가온원 요소(12)로서, 예를 들어 압전 소자 또는 펠티에 소자 등을 포함하여 이루어지는 요소를 이용하여도 좋다.
도 3의 (a) 내지 도 3의 (d)에 도시하는 태양에서는, 가온원 요소(12)로서 예를 들어 히터를 이용하고, 그것을 고화층(24)의 적층화의 도중에 "마련하는" 것에 의해 3차원 형상 조형물(100)에 가온원 요소(12)를 매설했지만, 가온원 요소(12)는 가온 매체로라도 좋다. 이러한 경우, 고화층(24)의 적층화의 도중에 가온원 요소(12)를 "형성하는" 것에 의해 3차원 형상 조형물(100)에 가온원 요소(12)를 마련하게 된다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 3차원 형상 조형물의 내부에 형성되는 가온 매체로의 벽면과 요철 형상의 표면을 서로 동일 형상으로 하는 것이 바람직하다(도시하지 않음). 이에 의해, 3차원 형상 조형물이 금형으로서 사용될 때, 금형의 내부에 마련된 가온 매체로로부터 캐비티 형성면으로의 전열이 보다 균일하게 된다.
본 발명에 있어서의 「가온 매체로」는, 액체 등의 가온 매체를 3차원 형상 조형물의 내부에 흘리기 위한 유로를 의미하고 있으며, 그 때문에, 가온 매체로는 3차원 형상 조형물에 있어서 중공부의 형태를 갖고 있다. 이러한 가온 매체로를 가온원 요소로서 이용하는 경우, 분말 소결 적층법으로서 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복 실시하는 고화층의 적층화의 도중에, 일부의 국소적 영역을 비조사부로서 고화시키지 않는 것에 의해 가온 매체로를 형성할 수 있다. 비조사부는, 분말층에 규정되는 「3차원 형상 조형물이 형성되는 영역」에 있어서 광 빔이 조사되지 않는 개소에 상당하므로, 이러한 비조사부에서는, "고화층을 구성하지 않은 분말"이 광 빔 조사 후에 남는다. 가온 매체로는 이러한 남은 분말을 3차원 형상 조형물로부터 최종적으로 제거하는 것에 의해 얻어진다. 특히 본 발명에 있어서는, 가온 매체로의 벽면, 즉 비조사부의 주면을 최종적으로 얻을 수 있는 3차원 형상 조형물의 "요철 형상의 표면"과 동일 형상으로 한다. 바람직하게는, 가온 매체로의 벽면 중 3차원 형상 조형물의 요철 형상의 표면에 대하여 근위측에 위치하는 벽면 부분을 해당 요철 형상의 표면과 동일 형상으로 한다.
거듭 말하면, 가온원 요소는 높은 열전도성을 나타내는 재료체이면 좋다. 높은 열전도성을 나타내는 재료체는 열을 양호하게 통하게 하는 것인 바, 그러한 재료체를 거쳐서 외부로부터 열을 제공할 수 있다. 즉, 히터 및 가온 매체로 등과 같이 3차원 형상 조형물의 내부에 마련된 가온원 요소가 실질적으로 발열원이 되는 태양이 아니라, 외부에 발열원이 있으며 그 열을 3차원 형상 조형물의 내부로 인도하기 위한 "열유도체"로서 가온원 요소를 마련하여도 좋다. 열유도체로서 이용되는 가온원 요소, 즉 높은 열전도성을 나타내는 재료체는 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 금속 재질로서는 구리계 재질이 바람직하며, 예를 들어 베릴륨 구리를 포함하여 이루어지는 재질을 들 수 있다.
상기에 있어서는 본 발명의 이해를 위해서 전형적인 실시형태를 설명했지만, 본 발명의 제조 방법은 여러 가지의 태양을 채용할 수 있다.
(단열 포러스 영역의 형성 태양)
본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 3차원 형상 조형물(100)의 내부에 있어서 가온원 요소(12)의 주위에 단열 포러스 영역(14)을 형성하여도 좋다.
본 발명에서 말하는 「단열 포러스 영역」이란, 미세한 공공(空孔)이 형성된 고화 밀도가 보다 낮은 영역으로서, 그 때문에, 상대적으로 낮은 열전도율을 가지며, "열을 차단하는" 태양과 같이 열이 전달되기 어려운 영역을 의미하고 있다. 이러한 단열 포러스 영역(14)이 3차원 형상 조형물(100)의 내부에 마련되는 것에 의해 가온원 요소(12)로부터의 전열이 보다 바람직하게 제어될 수 있다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 가온원 요소(12)의 주위에 단열 포러스 영역(14)을 형성하는 것에 의해, 가온원 요소(12)로부터 요철 형상의 표면(100A)으로의 전열이 보다 촉진된다. 즉, 3차원 형상 조형물(100)을 금형으로서 사용하는 경우, 금형 캐비티부(200)의 성형용 원료의 가온이 보다 촉진되게 된다. 도시되는 바와 같이, 단열 포러스 영역(14)은, 가온원 요소(12)의 주위이며, 가온원 요소(12)와 요철 형상의 표면(100A) 사이 이외의 영역에 마련하는 것이 바람직하다. 또한, 단열 포러스 영역(14)는 1개에 한정되지 않으며, 도시하는 바와 같이 복수 형성하여도 좋다.
단열 포러스 영역(14)의 고화 밀도는, 예를 들어 40~80% 정도이다. 이와 같이 낮은 고화 밀도는, (1) 광 빔의 출력 에너지를 낮추는 것에 의해 얻을 수 있는 것 이외에, (2) 광 빔의 주사 속도를 높이는 것, (3) 광 빔의 주사 피치를 넓히는 것, (4) 광 빔의 집광경을 크게 하는 것 등에 의해 얻을 수 있다. 본 명세서에서 말하는 「고화 밀도(%)」란, 3차원 형상 조형물의 단면 사진을 화상 처리하는 것에 의해 구한 고화 단면 밀도(고화 재료의 점유율)를 실질적으로 의미하고 있다. 사용하는 화상 처리 소프트는 Scion Image ver. 4.0.2(Scion사제의 프리웨어)이며, 단면 화상을 고화부(백)와 공공부(흑)로 이치화한 후, 화상의 전체 화소수 Pxall 및 고화부(흰색)의 화소수 Pxwhite를 카운트함으로써, 이하의 수학식 1에 의해 고화 단면 밀도 ρS를 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018009958262-pct00001
(가온원 요소 보호 부재의 설치 태양)
본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 3차원 형상 조형물(100)의 내부에 있어서 가온원 요소(12)의 주면(12A) 상에 가온원 요소 보호 부재(16)를 마련하여도 좋다. 특히 가온원 요소(12)로서 히터가 이용되는 경우, 그 발열면 상에 가온원 요소 보호 부재(16)가 마련되는 것이 바람직하다.
가온원 요소(12)로서 히터를 이용하는 경우, 고화층의 적층화 도중에 히터를 설치한 후, 이어서 분말층 형성 및 고화층 형성을 반복 실시해 나간다. 그렇지만, 히터 상에 마련한 분말층에 대해 광 빔을 조사하여 고화층을 형성할 때에는, 해당 광 빔에 의해 분말층만이 아닌 히터도 광 빔 조사되어, 히터가 손상될 우려가 있다. 그래서, 가온원 요소(12)의 주면(12A), 즉 히터의 발열면 상에 가온원 요소(12)를 보호하는 가온원 요소 보호 부재(16)를 마련하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 이후의 공정에 있어서 광 빔 조사에 기인한 가온원 요소(12)의 손상을 회피할 수 있어, 가온원 요소(12)의 소망의 특성이 유지될 수 있다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 가온원 요소 보호 부재(16)는 가온원 요소(12)와 밀접하도록 마련하는 것이 바람직하다. 즉, 가온원 요소 보호 부재(16)의 주면이 가온원 요소(12)의 주면(12A)(특히 상측 주면)과 동일한 윤곽 형상을 갖도록 가온원 요소 보호 부재(16)를 마련하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 가온원 요소 보호 부재(16)와 가온원 요소(12) 사이에 간극이 생기지 않으므로, 가온원 요소(12)가 광 빔 조사에 직접적으로 부여되는 것과 같은 문제점을 회피할 수 있다. 즉, 광 빔 조사에 기인한 가온원 요소(12)의 손상을 보다 효과적으로 회피할 수 있다. 또한, 소망의 윤곽 형상의 주면을 미리 갖는 가온원 요소 보호 부재(16)를 이용하여도 좋고, 그것을 가온원 요소(12) 상에 배치하는 것에 의해 가온원 요소 보호 부재(16)를 가온원 요소(12)와 밀접하도록 마련하여도 좋다.
가온원 요소 보호 부재(16)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 금속재질인 것이 바람직하다. 예를 들면, 철계 재질, 구리계 재질 또는 알루미늄계 재질 등이면 좋다. 철계 재질은 비교적 경도가 높은 금속 재질이며, 3차원 형상 조형물의 경도를 향상시킬 수 있는 점에서 바람직하다. 구리계 재질은 비교적 열전도율이 높은 금속 재질이며, 3차원 형상 조형물의 전열 특성을 향상시킬 수 있는 점에서 바람직하다. 또한, 알루미늄계 재질은 밀도가 비교적 작은 금속 재질이며, 3차원 형상 조형물을 경량화할 수 있는 점에서 바람직하다.
(전열 부재의 설치 태양)
본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 3차원 형상 조형물(100)의 내부에 있어서 가온원 요소(12)의 주면(12A)과 3차원 형상 조형물(100)의 표면(100A) 사이에 상당하는 영역에 전열 부재(18)를 마련하여도 좋다.
특히, 높은 열전도 특성을 나타내는 전열 부재(18)를 「가온원 요소(12)의 주면(12A)(상측 주면)」과 「3차원 형상 조형물(100)의 표면(100A)」 사이에 상당하는 영역에 마련하는 것이 바람직하다. 이러한 점에서, 3차원 형상 조형물(100)의 재질보다 높은 열전도율을 갖는 전열 부재(18)를 이용하여도 좋다. 이러한 전열 부재(18)가 이용되면, 가온원 요소(12)로부터 요철 형상의 표면(100A)으로의 전열이 촉진될 수 있다. 따라서, 도 7에 도시하는 바와 같이 3차원 형상 조형물(100)을 금형으로서 사용하는 경우, 금형 캐비티부(200)에 있어서의 성형용 원료의 가온을 촉진할 수 있다.
전열 부재(18)는 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 금속 재질로서는, 보다 높은 열전도율을 갖는 점에서 구리계 재질이 바람직하며, 예를 들어 베릴륨 구리를 포함하여 이루어지는 재질이어도 좋다. 또한, 도 7에 도시하는 바와 같이, 전열 부재(18)는 가온원 요소(12)의 주면(12A)(상측 주면)과 동일한 윤곽 형상을 갖도록 마련하는 것이 바람직하다. 즉, 전열 부재(18)와 가온원 요소(12)가 서로 밀접하도록 전열 부재(18)를 마련하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 가온원 요소(12)로부터의 열이 보다 효율적으로 요철 형상의 표면(100A)으로 전달되게 된다. 또한, 도 7에 도시하는 바와 같이, 전열 부재(18)의 주면(상측 주면)이 3차원 형상 조형물(100)의 요철 형상의 표면(100A)의 일부를 이루도록 전열 부재(18)를 마련하여도 좋다.
(하이브리드 방식에 의한 고화층 형성 태양)
본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 분말 소결 적층법 이외의 수법을 조합하여 고화층 형성을 실행하여도 좋다. 즉, 분말 소결 적층법과 그 이외의 고화층 형성 수법과 조합한 하이브리드 방식으로 고화층 형성을 실시하여도 좋다.
구체적으로는, 도 8에 도시하는 바와 같이 「분말층(22)의 형성 후에 광 빔 조사가 실행되는 층 형성 후 조사 방식(50)」과 「원료의 공급 시에 광 빔 조사가 실행되는 원료 공급 시 조사 방식(60)」을 조합한 하이브리드 방식에 의해 고화층(24)을 형성하여도 좋다. 「층 형성 후 조사 방식(50)」은 분말층(22)을 형성한 후에 광 빔(L)을 분말층(22)에 조사하여 고화층(24)을 형성하는 방식이며, 상술한 "분말 소결 적층법"에 상당한다. 한편, 「원료 공급 시 조사 방식(60)」은 분말(64) 또는 용가재(66) 등의 원료의 공급과 광 빔(L)의 조사를 실질적으로 동시에 실행하여 고화층(24)을 형성하는 방식이다. 「층 형성 후 조사 방식(50)」은 형상 정밀도를 비교적 높게 할 수 있지만, 고화층 형성을 위한 시간이 비교적 길어진다는 특징을 갖는다. 한편, 「원료 공급 시 조사 방식(60)」은 형상 정밀도가 비교적 낮기는 하지만, 고화층 형성을 위한 시간을 비교적 짧게 할 수 있다는 특징을 갖는다. 따라서, 그와 같이 상반되는 특징을 구비한 「층 형성 후 조사 방식(50)」과 「원료 공급 시 조사 방식(60)」을 바람직하게 조합하는 것에 의해, 3차원 형상 조형물을 보다 효율적으로 제조할 수 있다. 보다 구체적으로 말하면, 하이브리드 방식에서는 「층 형성 후 조사 방식(50)」 및 「원료 공급 시 조사 방식(60)」의 각각의 장단을 서로 보완하게 되므로, 소망의 형상 정밀도를 갖는 3차원 형상 조형물을 보다 단시간에 제조할 수 있다.
특히, 본 발명에서는, 가온원 요소의 윤곽 및 3차원 형상 조형물의 요철 형상의 표면의 형상에 특징을 갖고 있으며, 형상 정밀도가 요구된다. 따라서, 그러한 형상에 관련된 영역은 「층 형성 후 조사 방식(50)」으로 형성하는 한편, 그 이외의 영역은 「원료 공급 시 조사 방식(60)」으로 형성하여도 좋다. 보다 구체적으로는, 가온원 요소의 주위 부분의 고화층 영역(예를 들면, 가온원 요소가 배치되는 고화층 영역) 및 3차원 형상 조형물의 요철 형상의 표면을 이루는 고화층 영역 등은 「층 형성 후 조사 방식(50)」으로 형성하는 한편, 그 이외의 영역은 「원료 공급 시 조사 방식(60)」으로 형성하여도 좋다. 이에 의해, 소망의 형상 정밀도를 갖는 3차원 형상 조형물을 보다 단시간에 제조할 수 있다. 또한, 다른 방법으로, 상술한 가온원 요소 보호 부재 또는 전열 부재 등은 오로지 「원료 공급 시 조사 방식」을 이용하는 것에 의해 마련하여도 좋다.
[본 발명의 3차원 형상 조형물]
본 발명의 3차원 형상 조형물은 상술한 제조 방법으로 얻어지는 것이다. 따라서, 본 발명의 3차원 형상 조형물은 분말층에 대한 광 빔 조사로 형성되는 고화층이 적층되어 구성되어 있다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 3차원 형상 조형물(100)은, 그 표면(100A)이 요철 형상을 갖고, 가온원 요소(12)의 주면(12A)과 요철 형상의 표면(100A)이 서로 동일 형상으로 되어 있는 특징을 갖는다. 이러한 특징에 기인하여, 보다 적합한 가온 특성이 나타나게 되고, 특히 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용한 경우, 가온원 요소로부터 캐비티 형성면으로의 전열이 보다 균일하게 된다.
금형으로서 사용되는 3차원 형상 조형물에 관하여 말하면, 본 발명의 3차원 형상 조형물은, 특히 성형용 금형으로서 바람직하게 이용할 수 있다. 여기서 말하는 「성형」이란, 수지 등으로 이루어지는 성형품을 얻기 위한 일반적인 성형이며, 예를 들어 사출 성형, 압출 성형, 압축 성형, 트랜스퍼 성형 또는 블로우 성형 등을 가리키고 있다. 또한, 도 1에 도시하는 성형용 금형은 이른바 "캐비티측"에 상당하지만, 본 발명의 3차원 형상 조형물(100)은 "코어측"의 성형용 금형에 상당하는 것이어도 좋다.
금형으로서 사용하는데 바람직한 본 발명의 일 실시형태에 따른 3차원 형상 조형물(100)은 히터 또는 가온 매체로 등의 가온원 요소(12)를 내부에 구비하고 있다(도 1 참조). 특히, 본 발명의 일 실시형태에 따른 3차원 형상 조형물(100)에서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 가온원 요소(12)의 주면(12A)과 요철 형상의 표면(100A)의 이격 거리가 일정하게 되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 3차원 형상 조형물(100)의 표면(100A)의 일부가 "오프셋"된 것과 같은 윤곽 형상을 가온원 요소(12)가 갖고 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 가온원 요소(12)의 주면(12A)(특히 요철 형상의 표면(100A)에 대하여 보다 근위측에 위치하는 상측 주면(12A1))과 3차원 형상 조형물(100)의 요철 형상의 표면(100A)의 이격 거리는 0.5~20㎜ 정도이면 좋다. 이러한 3차원 형상 조형물(100)이 금형으로서 사용되면(도 2 참조), 가온원 요소(12)로부터의 캐비티 형성면으로의 전열이 보다 더욱 균일하게 된다. 따라서, 금형으로부터 얻어지는 최종적인 성형품에 있어서 형상 정밀도의 저하가 보다 효과적으로 방지될 수 있다.
그 이외에, 3차원 형상 조형물의 여러 가지의 구체적인 특징, 변경 태양 및 관련된 효과 등은 상술한 [본 발명의 제조 방법]에서 언급하고 있으므로, 중복을 피하기 위해서 여기에서의 설명은 생략한다.
[금형으로서 이용하는 3차원 형상 조형물의 여러 가지의 구체적 태양]
본 발명의 일 실시형태에 따른 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용하는 경우에 관련된 여러 가지의 구체적인 태양에 대하여 설명한다.
분말 소결 적층법으로 제조되는 3차원 형상 조형물에 대해서는 가스 통기부를 마련하여도 좋다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 3차원 형상 조형물(100)과 조합하여 이용되는 다른 3차원 형상 조형물(100')에 가스 통기부(70)를 마련하여도 좋다. 금형 캐비티부(200)에 용융 상태의 성형용 원료를 충전했을 때, 성형용 원료에 기인한 가스가 생기는 경우가 있으며, 해당 가스는 금형 캐비티부(200) 내에 체류되기 쉽다. 그래서, 금형 캐비티부(200)에 충전된 성형용 원료로부터 생기는 가스를 뽑을 수 있도록, 3차원 형상 조형물(100')에 가스 통기부(70)를 마련하는 것이 바람직하다. 가스 통기부(70)는, 예를 들어 고화 밀도가 보다 낮은 포러스 형상의 영역으로서 마련할 수 있다. 포러스 형상의 가스 통기부(70)는, 성형용 원료가 금형 캐비티부(200)로부터 누출되지 않고, 또한 적절히 가스를 외부로 배출할 수 있는 고화 밀도를 갖고 있는 것이 바람직하다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 포러스 형상의 가스 통기부(70)의 고화 밀도는 40~80% 정도인 것이 바람직하다. 이러한 포러스 형상의 가스 통기부(70)는 상술한 "단열 포러스 영역"의 경우와 마찬가지로 형성할 수 있다. 즉, (1) 광 빔의 출력 에너지를 낮추는 것에 의해 형성할 수 있는 것 이외에, (2) 광 빔의 주사 속도를 높이는 것, (3) 광 빔의 주사 피치를 넓히는 것, (4) 광 빔의 집광경을 크게 하는 것 등에 의해 포러스 형상의 가스 통기부(70)를 형성할 수 있다.
도 9에 도시하는 태양에서는, 포러스 형상의 가스 통기부(70)는, 가온원 요소(12)가 마련된 금형(도 9에서는 캐비티측의 금형에 상당하는 3차원 형상 조형물(100))과 상이한 타방의 금형(도 9에서는 코어측의 금형에 상당하는 3차원 형상 조형물(100'))에 마련되어 있다. 도시하는 바와 같이, 금형의 폐쇄 후에 가온원 요소(12)와 대향한 위치가 되도록 포러스 형상의 가스 통기부(70)를 마련하여도 좋다. 특히, 캐비티 형성면이 되는 타방의 금형의 표면으로부터 외부면까지 내부를 관통하도록 가스 통기부(70)를 마련하는 것이 바람직하다. 이와 같은 포러스 형상의 가스 통기부(70)에서는, 성형용 원료 등에 기인한 가스를 금형 캐비티부(200) 내에 체류시키는 일 없이, 외부로 효과적으로 배출할 수 있다. 따라서, 3차원 형상 조형물(100)의 가온원 요소(12)에 의한 가온 특성의 효과와 함께, 최종적으로 얻어지는 성형품에 있어서 금형 전사성이 보다 향상되게 될 수 있다. 또한, 도 9에 도시하는 태양에 한정되지 않으며, "코어측" 및 "캐비티측" 중 어느 한쪽의 금형에만 포러스 형상의 가스 통기부와 가온원 요소의 쌍방을 마련하여도 좋다.
또한, 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용하는 경우, 도 10에 도시하는 바와 같이, 3차원 형상 조형물(100)의 내부에 냉각액을 흘리기 위한 냉각 액로(80)를 마련하는 것이 바람직하다. 이러한 냉각 액로(80)의 존재에 의해 금형을 냉각할 수 있는 바, 가온원 요소(12)와의 병용에 의해 금형의 바람직한 온도 제어가 가능해진다.
냉각 액로(80)는, 상술한 "가온 매체로"와 마찬가지로, 3차원 형상 조형물(100)에 있어서 중공부의 형태를 갖고 있다. 따라서, 가온 매체로와 동일한 수법으로 형성할 수 있다. 즉, 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복하는 고화층의 적층화의 도중에, 일부의 국소적 영역을 비조사부로 하여 고화시키지 않는 것을 통하여 냉각액로(80)를 형성할 수 있다.
3차원 형상 조형물(100)의 내부에 있어서의 냉각액로(80)는 1개에 한정되지 않으며, 예를 들어 복수 마련하여도 좋다. 또한, 냉각액로(80)의 연장 방향은 특별히 한정되지 않으며, 여러 가지의 방향이어도 좋다. 도 10에 도시하는 냉각액로(80a) 및 냉각액로(80b)와 같이 서로 직교하는 방향으로 냉각액로(80)를 마련하여도 좋다.
3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용하는 경우, 그 내부에 마련하는 가온원 요소는 온-오프 제어할 수 있는 것이어도 좋다. 즉, 가온 상태와 비가온 상태 사이에서 절환 제어할 수 있는 가온원 요소를 이용하여도 좋다.
금형을 이용하여 성형용 원료로부터 성형품을 얻을 때에는, 크게 나누어 5개의 공정을 거치게 된다. 구체적으로는, (1) 금형의 폐쇄 공정, (2) 금형 캐비티부 내로의 성형용 원료의 충전 및 충전한 성형용 원료로의 보압 공정, (3) 금형 캐비티부에 있어서의 성형용 원료의 냉각 공정, (4) 금형의 개방 공정, 및 (5) 성형품의 취출 공정을 거친다. 여기서, 상기 중, 가온원 요소를 "온"으로 하는 것이 바람직한 공정은 (1) 및 (2)의 공정이다. (1)의 공정에 대해서는, 금형의 폐쇄 공정 시에 금형을 가온하여 두게 되지만, 그렇게 하는 것에 의해, 금형의 폐쇄 후에 성형용 원료가 금형 캐비티부에 충전되었을 때에 불리하게 빨리 냉각되어 버리는 불량한 현상을 방지할 수 있다. 또한, (2)의 공정에 있어서도 마찬가지로, 금형 캐비티부에 충전된 성형용 원료가 불리하게 빨리 냉각되어 버리는 불량한 현상을 방지할 수 있다. 성형용 원료가 필요 이상으로 빨리 냉각되면, 금형 캐비티부 내에서 성형용 원료를 충분히 가압하지 못하여, 성형 불량을 일으키는 요인이 되어 버린다.
따라서, 이들 (1) 및 (2)의 공정에 있어서만, 즉 가온이 필요한 경우에 있어서만 가온원 요소가 온이 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 또한, (1)의 폐쇄 공정 시에 시종 계속하여 가온원 요소를 "온"으로 해 둘 필요는 없다. 예를 들면, (2)의 공정을 실시하기 직전의 단계에 있어서만 가온원 요소를 "온"으로 하여도 좋다. 마찬가지로 하여, (2) 성형용 원료의 충전 및 보압의 공정 시에 시종 계속하여 가온원 요소를 "온"으로 해 둘 필요는 없으며, 성형용 원료가 유동 가능하게 되는 금형 온도에 달한 시점에서 가온원 요소를 "오프"로 하여도 좋다. 이와 같이 바람직하게 온-오프 제어할 수 있는 가온원 요소를 이용하는 것에 의해 금형의 가온 조작을 보다 효율적으로 실행할 수 있다.
또한, 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용하는 경우, 그 금형의 내부에 마련하는 가온원 요소는 1개에 한정되지 않으며, 복수라도 좋다.
예를 들면, 성형 시에서 금형 캐비티부 내에 공급된 성형용 원료가 최종적으로 도달하는 캐비티 개소(즉, 이른바 "웰드 라인"이 발생하기 쉬운 개소)에 인접하는 영역이 되는 금형 내부 영역에 있어서 복수의 가온원 요소를 마련하여도 좋다. 이러한 복수의 가온원 요소에 의해, 웰드 라인이 발생하기 쉬운 개소를 보다 효과적으로 가온할 수 있어, 결과적으로 웰드 라인에 기인하는 성형 불량을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
복수의 가온원 요소는, 금형 캐비티부 중에서 특히 작은 캐비티 부분(예를 들면, 두께 치수가 0.1~1㎜ 정도의 작은 캐비티 부분)에 인접하는 금형 내부 영역에 마련하는 것이 바람직하다. 이와 같이 작은 캐비티 부분은 특히 성형용 원료가 흐르기 어려운 개소가 되는 바, 복수의 가온원 요소에 의해 보다 효과적으로 가온할 수 있기 때문이다.
추가적으로는, 금형 캐비티부 내에 충전된 성형용 원료에 대해서는 외부로부터 가스 가압을 실시하여도 좋다. 예를 들면, 금형 캐비티부와 외부의 사이를 연통하는 「고화 밀도가 보다 낮은 포러스 형상의 영역」을 금형에 마련하고, 그 포러스 형상의 영역을 통하여 외부로부터 가스 가압하여도 좋다. 이에 의해, "금형 전사성"을 더욱 향상시킬 수 있어, 최종적으로 얻어지는 성형품에서 수축(성형품이 소망하지 않게 국소적으로 움푹해지는 것) 등의 발생을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 부언하면, 이러한 포러스 형상의 영역은 금형 캐비티부 내의 가스 배기에 이용하여도 좋다. 구체적으로는, 성형용 원료의 충전에 앞서 또는 그에 따라 금형 캐비티부 내에 존재하는 가스를 포러스 형상의 영역을 통하여 외부로 배기시켜도 좋다.
이상, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 방법 및 그에 따라 얻어지는 3차원 형상 조형물에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 일 없이, 특허청구범위에 규정되는 발명의 범위로부터 일탈하는 일 없이 여러 가지의 변경이 당업자에 의해 이루어지는 것으로 이해될 것이다.
또한, 상술과 같은 본 발명은 다음의 바람직한 태양을 포함하고 있다.
제 1 태양:
(i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 해당 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ii) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 해당 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 추가로 고화층을 형성하는 공정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복 실행하여 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법으로서,
상기 3차원 형상 조형물의 상기 제조에 있어서, 가온원 요소를 해당 3차원 형상 조형물의 내부에 마련하는 동시에, 해당 3차원 형상 조형물의 표면을 요철 형상으로 형성하고, 또한,
상기 가온원 요소의 주면과 상기 요철 형상의 상기 표면을 서로 동일 형상으로 하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 2 태양:
상기 제 1 태양에 있어서, 상기 가온원 요소의 상기 주면과 상기 요철 형상의 상기 표면의 이격 거리를 일정하게 하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 3 태양:
상기 제 1 태양 또는 제 2 태양에 있어서, 상기 3차원 형상 조형물의 상기 내부에 있어서 상기 가온원 요소의 주위에 단열 포러스 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 4 태양:
상기 제 1 태양 내지 제 3 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 가온원 요소로서 히터를 이용하고, 해당 히터의 상기 주면에 상당하는 발열면을 상기 요철 형상의 상기 표면과 상기 동일 형상으로 하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 5 태양:
상기 제 1 태양 내지 제 4 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 3차원 형상 조형물의 상기 내부에 있어서 상기 가온원 요소의 상기 주면 상에 가온원 요소 보호 부재를 마련하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 6 태양:
상기 제 5 태양에 있어서, 상기 가온원 요소 보호 부재를 상기 가온원 요소와 밀접하도록 마련하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 7 태양:
상기 제 1 태양 내지 제 3 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 가온원 요소로서 가온 매체로를 상기 3차원 형상 조형물의 상기 내부에 형성하고, 해당 가온 매체로의 벽면의 일부를 상기 요철 형상의 상기 표면과 상기 동일 형상으로 하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 8 태양:
상기 제 1 태양 내지 제 7 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 3차원 형상 조형물의 상기 내부에서 상기 가온원 요소의 상기 주면과 상기 3차원 형상 조형물의 상기 표면 사이에 상당하는 영역에 전열 부재를 마련하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 9 태양:
가온원 요소를 내부에 구비한 3차원 형상 조형물로서,
상기 3차원 형상 조형물의 표면이 요철 형상을 갖고, 상기 가온원 요소의 주면과 해당 요철 형상의 해당 표면이 서로 동일 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 일 실시형태에 따른 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 실시하는 것에 의해, 여러 가지 물품을 제조할 수 있다. 예를 들면, 「분말층이 무기질의 금속 분말층이며, 고화층이 소결층이 되는 경우」에서는, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 플라스틱 사출 성형용 금형, 프레스 금형, 다이캐스팅 금형, 주조 금형, 단조 금형 등의 금형으로서 이용할 수 있다. 한편, 「분말층이 유기질의 수지 분말층이며, 고화층이 경화층이 되는 경우」에서는, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 수지 성형품으로서 이용할 수 있다.
[관련 출원의 상호 참조]
본 출원은, 일본 특허 출원 제 2015-152056 호(출원일: 2015년 7월 31일, 발명의 명칭: 「3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 3차원 형상 조형물」)에 근거하는 파리 조약상의 우선권을 주장한다. 해당 출원에 개시된 내용은 모두, 이러한 인용에 의해, 본 명세서에 포함되어야 한다.
12 : 가온원 요소
12A : 가온원 요소의 주면
14 : 단열 포러스 영역
16 : 가온원 요소 보호 부재
18 : 전열 부재
22 : 분말층
24 : 고화층
100 : 3차원 형상 조형물
100A : 3차원 형상 조형물의 요철 형상의 표면
L : 광 빔

Claims (9)

  1. (i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
    (ii) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 추가로 고화층을 형성하는 공정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복 실행하여 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 3차원 형상 조형물의 상기 제조에 있어서, 가온원 요소를 상기 3차원 형상 조형물의 내부에 마련하는 동시에, 상기 3차원 형상 조형물의 표면을 요철 형상으로 형성하고,
    상기 가온원 요소의 주면과 상기 요철 형상의 상기 표면을 서로 동일 형상으로 하고, 또한,
    상기 가온원 요소의 주면과 상기 3차원 형상 조형물의 표면과의 사이에 상당하는 영역에 전열 부재를 마련하고, 상기 전열 부재가 상기 3차원 형상 조형물의 재질보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가온원 요소의 상기 주면과 상기 요철 형상의 상기 표면의 이격 거리를 일정하게 하는 것을 특징으로 하는
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서
    상기 3차원 형상 조형물의 상기 내부에 있어서 상기 가온원 요소의 주위에 단열 포러스 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가온원 요소로서 히터를 이용하고, 상기 히터의 상기 주면에 상당하는 발열면을 상기 요철 형상의 상기 표면과 상기 동일 형상으로 하는 것을 특징으로 하는
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 형상 조형물의 상기 내부에 있어서 상기 가온원 요소의 상기 주면 상에 가온원 요소 보호 부재를 마련하는 것을 특징으로 하는
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가온원 요소 보호 부재를 상기 가온원 요소와 밀접하도록 마련하는 것을 특징으로 하는
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가온원 요소로서 가온 매체로를 상기 3차원 형상 조형물의 상기 내부에 형성하고, 상기 가온 매체로의 벽면의 일부를 상기 요철 형상의 상기 표면과 상기 동일 형상으로 하는 것을 특징으로 하는
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 가온원 요소를 내부에 구비한 3차원 형상 조형물에 있어서,
    상기 3차원 형상 조형물의 표면이 요철 형상을 갖고, 상기 가온원 요소의 주면과 상기 요철 형상의 상기 표면이 서로 동일 형상으로 되어 있고.
    상기 가온원 요소의 주면과 상기 3차원 형상 조형물의 표면과의 사이에 상당하는 영역에 전열 부재가 마련되어 있으며, 상기 전열 부재가 상기 3차원 형상 조형물의 재질보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는
    3차원 형상 조형물.
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