KR-102960693-B1 - APPARATUS OF SUPPLYING OF METAL POWDER FOR REIMAGINING METAL POWDER

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Abstract

본 발명은 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치는 금속분말을 저장하고, 하단에 연결되는 제1 공급라인을 통해 분말유동층발생부와 연결되는 분말저장부, 상기 제1 공급라인을 통해 전달받은 상기 금속분말에 가스를 공급하여 상기 금속분말을 유동화시키고, 유동화된 상기 금속분말을 상단에 연장되는 제2 공급라인을 통하여 분말이송속도조절부와 연결되는 상기 분말유동층발생부, 상기 제2 공급라인을 통하여 전달받은 유동화된 상기 금속분말에 가스를 공급하여 유동화된 상기 금속분말의 유속을 조절하여 플라즈마토치부로 전달하는 상기 분말이송속도조절부 및 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 상기 분말이송속도조절부로부터 전달받아 중앙분사영역으로 공급되는 유동화된 금속분말의 표면처리를 통해 구상화시켜 토출하는 플라즈마토치부를 포함할 수 있다.

Inventors

이용복

Assignees

주식회사 디피투알쓰리

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20240131

Claims (12)

금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치에 있어서, 금속분말을 저장하고, 하단에 연결되는 제1 공급라인을 통해 분말유동층발생부와 연결되는 분말저장부; 상기 제1 공급라인을 통해 전달받은 상기 금속분말에 가스를 공급하여 상기 금속분말을 유동화시키고, 유동화된 상기 금속분말을 상단에 연장되는 제2 공급라인을 통하여 분말이송속도조절부와 연결되는 상기 분말유동층발생부; 상기 제2 공급라인을 통하여 전달받은 유동화된 상기 금속분말에 가스를 공급하여 유동화된 상기 금속분말의 유속을 조절하여 플라즈마토치부로 전달하는 상기 분말이송속도조절부; 및 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 상기 분말이송속도조절부로부터 전달받아 중앙분사영역으로 공급되는 유동화된 금속분말의 표면처리를 통해 구상화시켜 토출하는 플라즈마토치부; 를 포함하며, 상기 분말저장부는, 상부가 밀폐된 원통형의 제1 저장부; 상기 제1 저장부의 하단부에 연장되어 연결되되, 하단부로 갈수록 직경이 작아지는 형태를 가지고, 하부면이 상기 제1 공급라인과 연결되는 제2 저장부; 상기 제2 저장부의 하단부를 관통하여 연결되는 상기 제1 공급라인; 상기 제1 저장부의 상부면의 중심을 관통하여 상기 제2 저장부의 하부까지 연장되는 제1 가스공급라인; 및 상기 제1 저장부의 상부면의 일부분에 관통되어 연결되는 공기배출구; 를 포함하고, 상기 제1 가스공급라인은, 하부면이 밀폐되고, 하단부의 외주면이 복수개의 구멍이 뚫린 제1 다공성필터로 형성되어 상기 제1 가스공급라인을 통해 전달되는 가스가 상기 분말저장부 내부에 전달되는 것을 특징으로 하는, 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치.
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청구항 1에 있어서, 상기 제1 공급라인은, 상기 금속분말의 이동을 제어하는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치.
청구항 4에 있어서, 상기 밸브는, 핀치 밸브(Pinch valve)인 것을 특징으로 하는, 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치.
청구항 5에 있어서, 상기 분말저장부는, 내부 또는 외부의 일측면에 위치하여, 상기 분말저장부 내부를 열을 가하는 가열부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 분말유동층발생부는, 상부가 밀폐된 원통형의 제1 유동층발생부; 상기 제1 유동층발생부의 하단부에 연장되어 연결되되, 하단부로 갈수록 직경이 작아지고, 하부가 밀폐된 형태의 제2 유동층발생부; 상기 제2 유동층발생부의 하단부에 연장되어 연결되는 원통형의 제3 유동층발생부; 상기 제3 유동층발생부의 하단부에 연장되어 연결되되, 하단부로 갈수록 직경이 작아지고, 하부면에 제2 가스공급라인이 연결되는 제4 유동층발생부; 및 상기 제1 유동층발생부의 상부면의 중심을 관통하여 상기 제3 유동층발생부의 중단부까지 연장되되, 내주면과 외주면이 상호 이격되어 가스공급공간을 형성하고, 내주면을 통하여 유동화된 금속분말이 상기 분말이송속도조절부로 전달되는 제2 공급라인; 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치.
청구항 7에 있어서, 상기 제2 공급라인은, 하단부 외주면이 복수개의 구멍이 뚫린 제2 다공성필터로 형성되고, 상기 제1 유동층발생부 외부로 노출된 외주면 일측에 상기 가스공급공간으로 가스를 공급하는 제3 가스공급라인이 연결되고, 외주면의 직경이 상기 제3 유동층발생부의 내주면의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는, 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 제4 유동층발생부의 하부면은, 복수개의 구멍이 뚫린 제3 다공성필터로 형성되어, 상기 제2 가스공급라인으로부터 가스를 공급받되, 유동화된 금속분말의 이탈을 방지하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치.
청구항 9에 있어서, 상기 분말이송속도조절부는, 수평방향으로 연장되되, 제1 측면은 폐쇄되고, 제2 측면은 상기 플라즈마토치부로 연결되고, 기설정된 제1 중단부에 상기 제2 공급라인이 연결되어 유동화된 금속분말을 전달받는 분말이송라인; 상기 분말이송라인의 상기 제1 측면에 연결되어 가스를 공급하는 제4 가스공급라인; 및 상기 분말이송라인의 기설정된 제2 중단부의 외주면에서부터 이격되어 감싸고 상기 제2 측면 방향으로 수평 연장되되, 일측은 폐쇄되고, 타측은 기설정된 길이 이후에 직경이 감소되어 상기 분말이송라인과 연결되고, 폐쇄된 일측으로부터 가스를 공급받는 제5 가스공급라인; 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치.
청구항 10에 있어서, 상기 플라즈마토치부는, 토출방향으로 갈수록 직경이 감소하는 원뿔형태를 가지면서, 상기 금속분말 및 상기 가스가 중앙부에 구비되는 제1 중공부로 공급되며, 제1-1 냉각채널이 구비된 제1 음전극체; 상기 제1 음전극체를 감싸는 원통관형태를 가지면서 상기 제1 음전극체의 외주면에 대응하여 경사지게 기설정된 간격만큼 이격되면서 플라즈마발생가스가 공급되어 제1 플라즈마 생성영역이 구비되며, 제1-2 냉각채널이 구비된 제1 양전극체; 상기 제1 음전극체 및 상기 제1 양전극체의 외부 표면에 구비되는 제1 절연체; 및 상기 제1 음전극체 및 상기 제1 양전극체와 전기적으로 연결되어 상기 플라즈마를 발생시키는 전력을 공급하는 제1 전원공급수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치.
청구항 10에 있어서, 상기 플라즈마토치부는, 원통관형태로 제공되며, 제2-1 냉각채널이 구비된 제2 음전극체; 상기 금속분말 및 가스가 중앙부에 구비되는 제2 중공부로 공급되며, 상기 제2 음전극체가 삽입되고 플라즈마발생가스가 공급되도록 상단부는 상기 제2 음전극체의 직경에 대응하여 원통형경로를 가지면서 하단부는 원뿔형경로를 가지는 제2 플라즈마 생성영역이 구비되며, 제2-2 냉각채널이 구비된 제2 양전극체; 상기 제2 양전극체의 외부 표면에 구비되는 제2 절연체; 및 상기 제2 음전극체 및 상기 제2 양전극체와 전기적으로 연결되어 상기 플라즈마를 발생시키는 전력을 공급하는 제2 전원공급수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치.

Description

금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치{APPARATUS OF SUPPLYING OF METAL POWDER FOR REIMAGINING METAL POWDER} 본 발명은 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치에 관한 것이다. 본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다. 잘 알려진 바와 같이, 3차원(3D, 3-Dimension) 프린터는 인쇄하고자 하는 대상에 대한 3차원 데이터를 이용하여, 그 대상과 동일 또는 유사한 형태를 갖도록 3차원으로 형상물을 성형하는 장비이다. 이러한 3D 프린터는 과거에는 대량생산 이전의 모델링이나 샘플 제작과 같은 용도로 활용되었으나, 최근에는 다품종 소량생산 제품을 중심으로 양산 가능한 제품의 성형에도 사용될 수 있는 기술적 기반이 조성됨에 따라 다양한 제조업체에서 사용하고 있다. 그리고, 3D 프린터를 이용한 프린팅 기술은 분말, 액체, 와이어, 펠렛 등 다양한 형태의 물질을 한 층씩 쌓아올려 3차원 입체구조를 갖는 제품을 제조하는 기술로서, 이는 기존의 제조가공 기술로서는 구현할 수 없는 복잡한 형상의 부품도 손쉽게 제조할 수 있어 최근 새로운 가공기술로 전세계적 각광을 받고 있다. 한편, 대표적인 금속 3D 프린터는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식, DED(Direct Energy Deposition) 방식, ME(Material Extrusion) 방식, BJ(Binder Jetting) 방식 등으로 구분될 수 있는데, 이 중에서 PBF 방식은 분말(예를 들면, 금속분말 등) 한 층을 깔고 3D 형상의 슬라이스(slice)된 2D 영역에 높은 온도의 에너지원(예를 들면, 레이저빔, 전자빔 등)으로 녹여 붙이는 과정을 반복하여 3D 형상을 조형하는 기술을 의미하며, 현재 금속 3D 프린터는 PBF 방식으로 가장 많이 사용되고 있다. 상술한 바와 같은 PBF 방식의 금속 3D 프린터로 출력된 성형물은 출력된 후에 금속분말 속에 파묻혀 있는 상태이기 때문에, 성형물을 에워싼 금속분말을 회수하는 작업이 수행될 수 있다. 그리고, 회수된 금속분말은 큰 입자를 체(sieve)로 걸러낸 후, 다시 3D 프린터에 공급되어 재사용될 수 있는데, 이렇게 회수된 금속분말은 3D 프린팅 과정에서 더 큰 분말 입자에 부착된 위성 분말(satellite powder)이 분리되기 시작하여 더 작은 단일 입자를 형성하거나, 분말 입자가 서로 융합하여 응집체(aggregate)를 형성하거나, 응집체 입자가 불완전한 미세입자로 부서질 수 있다. 이것은 분말의 유동성(fluidity)과 벌크 밀도에 영향을 미쳐 분말의 입자 크기 분포를 더 넓게 만들고, 분말의 산소 함량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 최종 제품의 특성에 영향을 미치는 화학조성, 크기분포, 공극률, 유동성, 형상 및 겉보기밀도 측면에서 금속분말재료의 특성에 대한 고유한 요구사항을 충족시키지 못할 경우 재사용 시 금속분말의 퇴화(degradation)와 흐름도(flow rate)가 나빠져서 3D 프린팅 성형물의 내부에 기공 및 불순물을 형성함으로써, 품질이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 금속 3D 프린팅에 사용되는 금속분말의 가격은 상대적으로 매우 비싼 것으로 알려져 있는데, 특히 항공우주, 국방, 바이오메티컬 등의 분야에 적용하기 위해서 설계된 특수금속분말은 더욱 더 비싸다. 따라서, 3D 프린팅용 금속분말을 재사용하곤 하는데, 금속분말의 재사용성을 향상시키기 위해서 3D 프린팅을 수행하기 전에 새로운 금속분말과 회수한 금속분말을 혼합하고, 혼합된 금속분말을 이용하여 3D 프린팅을 수행하는 방식이 널리 이용되고 있다. 이와 같이 금속분말을 혼합함으로써, 금속분말의 산소함량을 감소시키고, 분말의 입자크기분포 및 부피밀도와 같은 물리적특성을 조정할 수는 있지만, 확립된 혼합표준이 없기 때문에, 사용자가 최적의 혼합비율을 결정하는데 경험에 의존하고 있는 실정이다. 본 발명의 특정한 바람직한 실시예들의 상기에서 설명한 바와 같은 또한 다른 측면들과, 특징들 및 이득들은 첨부 도면들과 함께 처리되는 하기의 설명으로부터 보다 명백하게 될 것이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치의 개요도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말저장부를 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말유동층발생부를 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말이동속도조절부를 나타내는 도면이다. 도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마토치부 및 동작에 대한 예시를 나타내는 도면이다. 상기 도면들을 통해, 유사 참조 번호들은 동일한 혹은 유사한 엘리먼트들과, 특징들 및 구조들을 도시하기 위해 사용된다는 것에 유의해야만 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들을 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치에 대해 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치의 개요도이다. 플라즈마토치로 금속분말을 재구상화하기 위해서는 금속분말을 일정하게 공급해야만 한다. 보다 상세하게 살펴보면, 재구상화처리속도를 향상시키기 위해서는 공급량은 많으면서 균일하게 공급하기 위해서는 유속이 늦어야만 한다. 그러나, 플라즈마토치를 이용하여 재구상화 품질을 높이기 위해서는 금속분말의 표면만 용융시킨 다음에 응고되어야 하기 때문에 유속은 빨라야만 한다. 이러한 상반된 조건을 해결하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치는 유동층발생부분과 이송속도 조절부분을 구분하고, 이를 결합하여 해결하였다. 도 1을 참조하면, 금속분말 재구상화를 위한 금속분말 공급 장치는, 금속분말을 저장하고, 하단에 연결되는 제1 공급라인(21)을 통해 분말유동층발생부와 연결되는 분말저장부, 상기 제1 공급라인(21)을 통해 전달받은 상기 금속분말에 가스를 공급하여 상기 금속분말을 유동화시키고, 유동화된 상기 금속분말을 상단에 연장되는 제2 공급라인(23)을 통하여 분말이송속도조절부와 연결되는 상기 분말유동층발생부, 상기 제2 공급라인(23)을 통하여 전달받은 유동화된 상기 금속분말에 가스를 공급하여 유동화된 상기 금속분말의 유속을 조절하여 플라즈마토치부로 전달하는 상기 분말이송속도조절부 및 전극체내부영역에서 발생된 플라즈마를 고깔형태로 분사시켜 상기 분말이송속도조절부로부터 전달받아 중앙분사영역으로 공급되는 유동화된 금속분말의 표면처리를 통해 구상화시켜 토출하는 플라즈마토치부를 포함할 수 있다. 각 구성에 관하여는 이하에서 도면을 참조하여 보다 상세하게 살펴보도록 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말저장부를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 상기 분말저장부는, 상부가 밀폐된 원통형의 제1 저장부(11), 상기 제1 저장부(11)의 하단부에 연장되어 연결되되, 하단부로 갈수록 직경이 작아지는 형태를 가지고, 하부면이 상기 제1 공급라인(21)과 연결되는 제2 저장부(13), 상기 제2 저장부(13)의 하단부를 관통하여 연결되는 상기 제1 공급라인(21), 상기 제1 저장부(11)의 상부면의 중심을 관통하여 상기 제2 저장부(13)의 하부까지 연장되는 제1 가스공급라인(Ar1) 및 상기 제1 저장부(11)의 상부면의 일부분에 관통되어 연결되는 공기배출구를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 분말저장부는 상기 분말유동층발생부로 금속분말을 전달하는 곳으로, 이 때, 상기 분말저장부 내부에 있는 공기를 가스로 치환하는 공정이 필요하다. 이를 위하여, 상기 제1 가스공급라인(Ar1)을 상기 분말저장부 바닥 부분까지 내려서, 가스를 공급하고, 밀려난 공기는 공기배출구를 통하여 나가도록 하고, 아치형(arching) 또는 브리징(bridging)과 래톨링(ratholing) 또는 채널링(channelling) 현상으로 분말이 공급되지 않는 것을 방지할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 제1 가스공급라인(Ar1)은, 하부면이 밀폐되고, 하단부의 외주면이 복수개의 구멍이 뚫린 제1 다공성필터(f1)로 형성되어 상기 제1 가스공급라인(Ar1)을 통해 전달되는 가스가 상기 분말저장부 내부에 전달될 수 있다. 또한, 상기 제1 공급라인(21)은, 상기 금속분말의 이동을 제어하는 밸브를 포함할 수 있다. 이 때,