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KR101243280B1 - 내부공간이 형성된 금속제품 및 그 제조방법 - Google Patents

내부공간이 형성된 금속제품 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101243280B1
KR101243280B1 KR1020110040335A KR20110040335A KR101243280B1 KR 101243280 B1 KR101243280 B1 KR 101243280B1 KR 1020110040335 A KR1020110040335 A KR 1020110040335A KR 20110040335 A KR20110040335 A KR 20110040335A KR 101243280 B1 KR101243280 B1 KR 101243280B1
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Abstract

냉각유로와 같은 내부공간에서 냉각액의 흐름을 개선하고 냉각효율을 향상시킬 수 있는 내부공간이 형성된 금속제품 및 이를 제조하는 방법이 개시된다.
개시되는 내부공간이 형성된 금속제품은, 내부에 제1 공간이 형성된 금속제품 본체; 상기 제1 공간과 연통하는 제2 공간이 형성되며, 상기 금속제품 본체에 장착되는 공간형성부재; 및 상기 공간형성부재가 상기 금속제품 본체에 장착된 상태에서 상기 공간형성부재를 덮어 외관을 형성하는 마무리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 개시되는 금속제품의 제조방법은 내부에 제1 공간이 형성된 금속제품 본체를 준비하는 공정; 상기 제1 공간과 연통하는 제2 공간이 형성된 금속재질의 공간형성부재를 준비하는 공정; 상기 제1 공간과 제2 공간이 연통되도록 상기 공간형성부재를 상기 금속제품 본체에 장착하는 공정; 및 상기 공간형성부재를 덮어 금속제품의 외관에 해당하는 마무리부를 형성하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 금속제품 및 그 제조방법에 의하면, 금속제품에서 복잡한 형상의 내부공간을 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 냉각효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

내부공간이 형성된 금속제품 및 그 제조방법{Metal Product Having Internal Space And Method of Manufacturing The Same}
본 발명은 내부공간이 형성된 금속제품 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 곡면으로 이루어지는 내부공간을 용이하게 형성할 수 있는 금속제품 및 그 제조방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 냉각유로와 같은 내부공간에서 냉각액(냉각수)의 흐름을 개선하고 냉각효율을 향상시킬 수 있는, 내부공간이 형성된 금속제품 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 이러한 금속제품으로서는 금형이나 표면/내부 냉각이 필요한 각종 제품(예를 들어, 냉각유로를 갖는 기계공구, 장치 등 산업용 금속제품) 등이 포함될 수 있다.
금형이나 내부 냉각이 필요한 금속제품(예를 들어, 냉각유로를 갖는 기계공구, 장치 등 산업용 금속제품)을 제조하는 경우 금형 표면에서 표면 온도를 낮추고 균일한 온도 분포를 갖도록 냉각유로를 형성하는 것이 중요하다.
예를 들어, 플라스틱 제품을 생산하기 위한 사출금형에서 표면의 온도가 높으면 제품 생산의 사이클 시간이 길어지게 되며, 금형 표면의 온도가 균일하지 않으면 휨이나 두께 편차가 발생하거나 다량의 기포가 발생하는 문제가 있다. 반면에, 금형 표면의 온도가 낮고 온도분포가 균일하도록 냉각을 수행하면 전체 냉각시간이 단축되고 이로 인해 제품 생산의 사이클 시간이 단축됨으로써 생산성이 증대되고 플라스틱 제품의 품질이 향상될 수 있다.
그러나, 종래의 일반적인 금속가공 방식으로는 3차원 형상의 냉각유로를 갖는 금형이나 냉각이 필요한 금속제품을 제작할 수 없다는 문제점이 있다.
예를 들어, 건 드릴링(gun drilling)을 이용한 줄 냉각방식과, 배플 냉각(baffle cooling) 방식은 냉각유로의 배열과 형상을 자유롭게 제작하는 것이 사실상 불가능하다.
또한, 줄 냉각방식과 배플 냉각(baffle cooling) 방식은 냉각액의 방향이 전환되는 부분에 있어서 원만하게 방향 전환이 이루어지는 곡선유로를 형성할 수 없으므로 드릴링이 중첩된 부분이나 배플이 설치된 부분에서 난류가 발생하거나 냉각액 흐름에 정체가 발생하게 되고, 이로 인해 냉각효율이 극히 낮다는 문제점이 있다. 특히, 건 드릴링을 이용한 줄 냉각방식과, 배플 냉각방식은 금형 표면에 근접하도록 냉각유로를 형성하는 데 많은 어려움이 있다.
최근에는 3차원 캐드(CAD) 데이터로부터 직접 복잡한 형상의 금속제품과 금형 등을 육성(build-up), 제작하는 AF(Additive Fabrication) 기술의 출현으로 3차원 냉각유로를 갖는 금형의 제작이 가능해졌고, 이로 인해 종래의 일반적인 금속가공방식에 의한 복잡한 유로 형성의 한계를 극복할 수 있게 되었다.
이러한 AF(Additive Fabrication) 기술의 일 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, AF 기술은 3차원 CAD 데이터를 일정한 두께(또는 높이)로 절단하여 2차원의 면들로 구성한 다음, 도 1(a)에 도시된 베이스(B) 상에 금속을 녹여 붙이거나 소결하는 방법 등을 이용하여 2차원의 단면정보에 해당하는 금속층을 만들고{도 1(b)} 다시 그 위에 다른 금속층을 반복적으로 적층하는{도 1(c)} 방식으로 3차원 형상의 최종적 금속제품을 제작하게 된다{도 1(d)}.
이러한 AF 기술은 대부분 분말형태의 금속소재를 사용하는 것으로서, 대표적인 것으로서 ⅰ) 소결 또는 용융공정 전에서 미리 금속분말을 미리 일정한 두께로 도포하는 방식(powder pre-placement method)과 ⅱ) 공정과정에서 실시간으로 금속분말을 공급하는 방식(in-situ powder-feeding method)을 들 수 있다.
상기한 AF 기술 중에서 ⅰ) 소결 또는 용융공정 전에서 미리 금속분말을 미리 일정한 두께로 도포하는 방식(powder pre-placement method)으로는 SLS(selective laser sintering, 선택적 레이저 소결법) 기술과 SLM(selective laser melting, 선택적 레이저 용융법) 기술{이하, 본 명세서에서는 SLS 기술과 SLM 기술이 상표명 DMLS(direct metal laser sintering), LaserCUSING, EBM(electron beam manufacturing) 등의 기술을 포함하는 것으로 설명한다} 등이 있다.
이러한 SLS 기술과 SLM 기술은 금속분말을 일정한 두께로 정밀하게 깐 다음 금속분말 위에 레이저 빔 또는 전자 빔 등을 선택적으로 조사하여 금속분말을 소결 또는 용융시킴으로써 2차원의 금속 층을 만들고, 다시 일정한 두께로 금속분말을 깔고 선택적 소결 또는 용융시키는 일련의 과정을 반복적으로 수행하여 3차원 형상의 금속제품을 제작하게 된다.
특히, 상기 SLS 기술과 SLM 기술은 도포된 금속분말이 공정과정에서 일종의 서포트(지지) 역할을 하기 때문에 하측에 공간이 형성된 오버행(overhanging) 구조를 제작하는데 유리하며, 이로 인해 이론적으로는 냉각유로의 구조에 적합할 수 있다.
그러나, SLS 기술과 SLM 기술은 고가의 특수한 금속분말을 사용하기 때문에 금형 제작비용이 많이 소요되고, 기공과 균열 등의 결함으로 인해 제작된 냉각유로에서 누수가 발생하기도 하고, 제작된 냉각유로의 표면이 거칠기 때문에 부식속도가 빠를 뿐만 아니라, 냉각유로의 막힘 현상이 발생하기도 하고 제작할 수 있는 제품의 크기가 제한되어 있는 등의 문제가 있다. 따라서, 이러한 기술들은 3차원 냉각유로 제작에 현실적으로 널리 활용되지 못하고 있다.
한편, AF 기술 중에서 ⅱ) 실시간으로 금속분말을 공급하는 방식(in-situ powder-feeding)으로는 DMF(direct metal fabrication)와 다층 레이저 클래딩 기술 등이 있다.
이러한 기술은 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 빔 조사기와 분말공급기를 갖는 성형장치(M)를 이용하여 베이스(B) 상에서 3차원 형상의 금속제품을 형성하게 된다.
구체적으로, DMF 기술과 다층 레이저 클래딩 기술은 고출력 레이저 빔을 금속표면에 조사하면 순간적으로 금속표면에 용융 풀(melt pool)이 생성되고, 정밀하게 제어되는 금속분말을 용융 풀 안으로 실시간으로 공급하여 금속 층을 만들게 된다. 이때, 레이저 빔(성형장치) 및/또는 베이스(또는 기형성된 하부의 금속층)를 3차원 상의 CAD 데이터로부터 산출된 경로를 따라 이동시켜 2차원 단면에 해당하는 금속층을 만들게 되며, 이러한 과정을 한 층씩(layer-by-layer) 반복하여 3차원 CAD 모델과 동일한 금속제품을 제작하게 된다.
이러한 DMF 기술과 다층 레이저 클래딩 기술은 저가의 일반 산업용 금속분말을 사용할 수 있고, 치밀한 조직을 얻을 수 있으며 공정과정에서 완전 용융과 급속 응고에 의한 용융 결합(fusion bonding)이 이루어지므로 미세한 금속학적 조직을 얻을 수 있기 때문에 이 기술로 제작된 제품의 물성은 단조재(wrought materials)와 동일하거나 더 우수한 기계적 물성을 가진다는 이점이 있다.
특히, DMF 기술과 다층 레이저 클래딩 기술은 분말을 일정한 두께로 미리 깔고 공정을 수행하는 SLS 기술이나 SLM 기술과 달리, 공정과정에서 금속분말을 실시간으로 공급하기 때문에, 2차원의 편평한 베이스(또는 기형성된 하부의 금속층) 뿐만 아니라 3차원의 자유곡면을 갖는 베이스 위에서도 조형이 가능하다는 이점이 있다.
그러나, DMF 기술과 다층 레이저 클래딩 기술은 미리 금속분말을 깔고 공정을 수행하는 SLS 기술이나 SLM 기술과 달리 서포트 역할을 수행하는 금속분말(또는 금속분말층)이 존재하지 않기 때문에, 하부에 공간이 형성된 오버행(overhang) 구조나 냉각유로 등의 구조를 제작하는 것이 용이하지 않다는 문제점이 있다.
따라서, DMF 기술과 다층 레이저 클래딩 기술에서는 오버행 구조(오버행 구조를 갖는 냉각유로 포함)를 형성하기 위해서는 복잡하고 고가인 5축 장비 등을 이용하여 복잡한 모션의 제어를 할 필요가 있다.
또한, DMF 기술과 다층 레이저 클래딩 기술을 이용하여 냉각유로를 형성하기 위해서는 전술한 5축 장비의 복잡한 모션 제어를 수행하기도 하지만 대부분 저 융점의 금속분말을 사용하여 냉각유로를 제작하거나 또는 유연성 있는 구리관을 삽입하여 제작하기도 한다.
이때, 냉각유로의 형성을 위해 저융점의 금속분말을 사용하는 경우에는 냉각유로 내부를 낮은 융점의 금속분말로 채워지도록 만든 다음, 최종 금속제품이 제작된 후 열처리를 통해 저 융점 금속을 녹여 제거함으로써 냉각유로를 제작하게 된다. 이러한 경우에는 냉각유로 제작을 위한 부가적인 공정을 필요로 하며, 냉각유로의 표면이 다소 거칠고, 저 융점 금속이 완전히 제거되지 않고 냉각유로에 잔존할 경우에 부식(특히, 갈바닉 부식)을 일으킬 수 있다는 문제가 있다.
그리고, 냉각유로의 형성을 위해 구리관을 삽입하는 방식에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 우선 DMF 또는 다층 레이저 클래딩 기술을 이용하여 베이스(1) 상에 구리관(4)을 삽입할 수 있는 안착홈(3)을 갖도록 1차 금속제품(2)을 제작한 다음{도 3(a)} 안착홈(3)에 구리관(4)을 삽입하게 된다{도 3(b)}. 그리고, DMF 기술이나 다층 레이저 클래딩 기술을 계속하여 구리관(4) 위에 금속층(5)을 형성하여{도 3(c)}, 구리관(4)이 내부에 삽입된 최종적인 금속제품을 형성하게 된다{도 3(d)}.
도 3에 도시된 구리관 삽입방식의 경우, 냉각유로의 제작이 간편하며 냉각유로 표면이 매끈하고 부식 저항성이 크다는 장점이 있지만, 조형과정에서 삽입된 구리관(4)의 상측은 금속층(또는 금속제품)(5)과 완전한 금속 결합을 이루는 반면, 안착홈(3)에 설치되는 구리관(4)의 하측은 금속제품과 접합되지 못하고 떨어져 있기 때문에 냉각효율이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
특히, 복잡한 유로를 형성하기 위하여 구리관을 구부리는 경우에는 꺾인 부분의 구리관 단면이 일정하지 않고, 꺾임이 심할 경우 구리관 내부에서 냉각액의 흐름에서 난류가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
나아가, 구리관 삽입방식의 경우에는 전술한 바와 같이, 안착홈(3)에 구리관(4)을 안착시켜야 하는데 구리관(4)이 안착홈(3)에 안정적으로 장착될 수 없다. 즉, 안착홈(3)은 구리관(4)의 원형 단면 중 대략 반원의 단면을 가질 수밖에 없으므로, 안착홈(3)에 설치된 구리관(4)은 안착홈(3)의 단면에 완전히 접촉하지 못하고 들떠 있는 상태가 되기 쉽다. 이러한 현상은 도 3에 도시된 바와 같이 냉각유로가 굴곡이 복잡할수록 크게 발생하게 되며, 구리관(4)이 3차원상의 경로를 따라 설치되면 들뜸 현상은 더욱 심하게 된다.
이와 같이, 들뜸 현상이 발생하는 경우에는 구리관(4) 위에 DMF 가공이나 다층 레이저 클래딩 가공을 통해 최종적인 금속제품의 형상을 제작하는데 많은 어려움이 발생하게 된다. 구체적으로, DMF 가공이나 다층 레이저 클래딩 가공은 3차원상의 CAD 데이터로부터 산출된 경로를 따라 이동시켜 2차원 단면에 해당하는 금속층을 적층하게 되지만, 들뜸 현상이 발생하는 부분에서는 3차원상의 CAD 데이터와 들떠 있는 구리관(4)의 실제 형상에 차이가 발생하게 되고, 이로 인하여 완벽한 조형이 어렵게 된다.
결국, AF 기술을 이용한 종래의 3차원 유로(내부공간) 형성 방법과는 다른 방식이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 복잡한 형상의 내부공간을 갖는 금속제품(금형)을 용이하게 형성할 수 있는 내부공간이 형성된 금속제품 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서 DMF 기술 또는 다층 레이저 클래딩 기술로 직접 제작하기 어려운 내부공간(냉각유로), 예를 들어 냉각액의 흐름이 바뀌는 곡률 형상 부분이나, 하측에 공간이 형성되고 그 위에 형상을 갖는 오버행 구조 부분을 용이하게 제작할 수 있는, 내부공간이 형성된 금속제품 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 유로단면 구조를 일정하게 함으로써 우수한 냉각효율을 갖는 내부공간이 형성된 금속제품 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 부식저항이 우수한 내부공간이 형성된 금속제품 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 내부에 제1 공간이 형성된 금속제품 본체; 상기 제1 공간과 연통하는 제2 공간이 형성되며, 상기 금속제품 본체에 장착되는 공간형성부재; 및 상기 공간형성부재가 상기 금속제품 본체에 장착된 상태에서 상기 공간형성부재를 덮어 외관을 형성하는 마무리부;를 포함하며, 상기 금속제품 본체와 상기 마무리부는 제품의 외관을 형성하며, 상기 공간형성부재는 상기 금속제품 본체 및 상기 마무리부의 외측으로 노출되지 않고, 상기 마무리부는 상기 금속제품 본체 및 상기 공간형성부재와 금속결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품을 제공한다.
바람직하게, 상기 금속제품 본체에는 상기 공간형성부재가 장착되는 장착홈이 형성되며, 상기 공간형성부재는 상기 장착홈에 일부분만 장착되고 나머지부분은 상기 금속제품 본체의 외부로 노출될 수 있다. 이와는 달리, 상기 금속제품 본체에는 상기 공간형성부재가 장착되는 장착홈이 형성되며, 상기 공간형성부재는 상기 장착홈 외부로 노출되지 않을 수도 있다.
또한 바람직하게, 상기 공간형성부재는 상기 제2 공간이 형성된 하나의 부재로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 상기 공간형성부재는 2 이상의 분리부재가 결합되어 형성될 수 있고, 상기 분리부재가 결합된 상태에서 상기 제2 공간을 형성하도록 구성될 수도 있다.
바람직하게, 상기 공간형성부재는 상기 제1 공간과 연결되는 제2 공간이 하부에 형성되어 전체적으로 하측에 공간이 형성된 오버행 구조를 형성할 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 금속제품은 금형이며, 상기 공간형성부재는 금속재질로 이루어지고, 상기 제1 공간 및 제2 공간은 냉각유로를 구성할 수 있다. 이때, 상기 공간형성부재는 상기 냉각유로의 방향이 바뀌는 곡률부분을 형성하거나, 상기 냉각유로 중 하측에 공간이 형성된 오버행 부분을 형성할 수 있다.
한편, 상기 공간형성부재는 상기 금속제품 본체와 동일한 재질로 형성되거나 상기 금속제품 본체보다 내부식성이 큰 재질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 금속결합은 DMF(direct metal fabrication, 직접 금속 성형) 기술, 다층 레이저 클래딩 기술, SLS(selective laser sintering, 선택적 레이저 소결법) 기술, SLM(selective laser melting, 선택적 레이저 용융법) 기술 중 적어도 하나의 방법에 의해 형성될 수 있다.
다른 측면으로서, 본 발명은 내부에 제1 공간이 형성된 금속제품 본체를 준비하는 공정; 상기 제1 공간과 연통하는 제2 공간이 형성된 금속재질의 공간형성부재를 준비하는 공정; 상기 제1 공간과 제2 공간이 연통되도록 상기 공간형성부재를 상기 금속제품 본체에 장착하는 공정; 및 상기 공간형성부재를 덮어 금속제품의 외관에 해당하는 마무리부를 형성하는 공정;을 포함하며, 상기 금속제품 본체와 상기 마무리부는 제품의 외관을 형성하며, 상기 공간형성부재는 상기 금속제품 본체 및 상기 마무리부의 외측으로 노출되지 않고, 상기 마무리부는 상기 금속제품 본체 및 상기 공간형성부재와 금속결합이 이루어지는 내부공간이 형성된 금속제품의 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 금속제품 본체의 제1 공간은 직선부분을 포함하며 상기 직선부분은 드릴링에 의해 형성되고, 상기 공간형성부재의 제2 공간은 곡선 부분을 포함하며 상기 곡선부분은 절삭가공, 주조, AF 가공 중 어느 하나 또는 이들의 복합가공에 의해 형성될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 금속제품 본체와 상기 공간형성부재는 절삭가공, 주조, AF 가공 중 어느 하나 또는 이들의 복합가공에 의해 형성되며, 상기 금속제품 본체의 제1 공간을 구성하는 직선부분은 드릴링에 의해 형성될 수 있다.
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또한 바람직하게, 상기 마무리부는 DMF(direct metal fabrication, 직접 금속 성형) 기술 또는 다층 레이저 클래딩 기술에 의해 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 마무리부는 SLS(selective laser sintering, 선택적 레이저 소결법) 기술, SLM(selective laser melting, 선택적 레이저 용융법) 기술, 용접, 도금, 증착, 용사 중 적어도 하나의 방법에 의해 형성될 수도 있다.
바람직하게, 상기 공간형성부재는 2 이상의 분리부재가 결합되어 형성되며, 상기 분리부재가 결합된 상태에서 상기 제2 공간을 형성하고, 본 발명의 일 측면에 의한 내부공간이 형성된 금속제품의 제조방법은 상기 금속제품 본체에 형성된 장착홈에 장착되기 전 또는 장착된 후 상기 분리부재의 경계부를 접합하는 공정;을 추가로 포함할 수 있다.
한편, 상기 금속제품은 금형이며, 상기 제1 공간 및 제2 공간은 냉각유로일 수 있다.
이때, 상기 공간형성부재는 상기 냉각유로의 방향이 바뀌는 곡률부분을 형성하거나, 상기 냉각유로 중 하측에 공간이 형성된 오버행 부분을 형성할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의하면, 금속제품 본체의 내부공간(제1 공간)을 드릴링과 같은 단순 기계가공을 통해 형성하고, 내부공간에서 복잡한 형상을 갖는 부분(제2 공간)을 공간형성부재로 별도로 제작한 후 이들을 마무리부로 덮어 금속제품의 외관을 형성하도록 함으로써 복잡한 형상의 내부공간을 용이하게 형성할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 상기 금속제품 본체의 제1 공간을 구성하는 직선부분을 드릴링에 의해 형성하고, 곡선 부분을 포함하는 제2 공간을 통상의 기계공작 방법(예를 들어, 절삭가공, 주조 등)이나 AF 가공(DMF 가공 또는 다층 레이저 클래딩 가공 등), 또는 이들의 복합가공을 통해 형성하고 이를 결합함으로써 복잡한 형상의 내부공간을 용이하게 형성할 수 있게 된다. 이로 인해 금속제품(금형)의 제조시간과 제조비용을 절감할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 금속제품 본체에 형성된 제1 공간과 공간형성부재에 형성되는 제2 공간이 결합된 상태에서 내부공간의 단면크기를 유지할 수 있고 냉각액이 곡면을 따라 자연스럽게 방향을 전환하여 흐를 수 있으므로 냉각액의 정체나 난류가 발생하지 않아 금속제품의 냉각효율이 향상될 수 있다. 특히 금속제품 표면의 온도를 균일하게 할 수 있도록 복잡한 형상의 내부공간(냉각유로)을 형성하는 것이 가능하여, 이를 통하여 금속제품을 통해 제조될 수 있는 완제품의 구조나 성능의 향상을 기대할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면 종래의 DMF 기술 또는 다층 레이저 클래딩 기술만으로 직접 제작하기 어려운 내부공간(냉각유로), 예를 들어 냉각액의 흐름이 바뀌는 곡률 형상 부분이나, 하측에 공간이 형성되고 그 위에 형상을 갖는 오버행 구조 부분을 공간형성부재를 이용하여 형성하므로 5축 장비의 복잡한 제어를 하지 않고도 복잡한 내부공간을 형성할 수 있게 된다. 그리고, 종래기술에 따라 저융점 금속분말을 사용하는 경우에는 내부공간(냉각유로)의 표면이 다소 거칠고, 저융점 금속분말이 완전히 제거되지 않고 내부공간(냉각유로)에 잔존할 경우에 부식(특히, 갈바닉 부식)을 일으킬 수 있다는 문제가 있지만, 본 발명의 일 실시예에 의하면 표면이 매끈하여 유로저항이 거의 없으며 부식에 관한 문제를 해결할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 구리관을 사용하여 내부공간(냉각유로)을 형성하는 종래기술의 경우에는 꺾이거나 구부러진 부분의 구리관 단면이 일정하지 않고, 꺾임이 심할 경우 구리관 내부에서 냉각액의 흐름에서 난류가 발생할 수 있을 뿐만 아니라 구리관 단면의 절반 가량만이 금속제품 본체와 결합되어 냉각효율이 다소 떨어지는 문제점이 있지만, 본 발명의 일 실시예에 의하면 내부공간의 단면을 일정하게 할 수 있어 냉각액이 곡면을 따라 자연스럽게 방향을 전환하여 흐를 수 있으므로 냉각액의 정체나 난류가 발생하지 않게 되고, 공간형성부재의 대부분의 표면이 금속제품 본체 또는 마무리부와 완전한 금속결합(금속학적 결합)이 이루어져 냉각효율이 뛰어나며, 다수의 공간형성부재를 통하여 3차원 상의 내부공간도 효율적으로 구현할 수 있게 된다. 그리고, 구리관을 사용하여 내부공간(냉각유로)을 형성하는 종래기술의 경우에는 구리관이 안착홈에 안정적으로 장착될 수 없으므로 들뜸 현상이 발생하게 되고 이로 인해 후속의 DMF 가공이나 다층 레이저 클래딩 가공과 같은 AF 가공이 원활히 이루어질 수 없지만, 본 발명의 일 실시예에 의하면 공간형성부재가 안착홈에 안정적으로 안착되므로 후속의 DMF 가공이나 다층 레이저 클래딩 가공과 같은 AF 가공을 수행할 때 공간형성부재와 마무리부의 안정적인 금속결합이 가능하다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 마무리부를 DMF 기술 또는 다층 레이저 클래딩 기술 등을 이용하여 형성함으로써 마무리부와, 공간형성부재 및/또는 금속제품 본체 사이에 완전한 금속결합이 이루어지므로 냉각효율을 충분히 달성할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면 공간형성부재를 금속제품 본체와 동일한 재질 또는 금속제품 본체보다 내부식성이 큰 재질로 형성함으로써 부식저항이 우수한 금속제품을 얻을 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 공간형성부재를 다수의 분리부재로 분할하여 형성함으로써 공간형성부재 내부에 복잡한 형상의 내부공간도 형성할 수 있으며, 다수의 공간형성부재를 도입하고 마무리부로 금속제품의 외관을 형성함으로써 복잡한 형상의 금속제품에서도 냉각효율을 충분히 달성할 수 있는 냉각유로의 구성이 가능하다는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 AF 기술을 이용하여 3차원 형상의 제품을 제조하는 종래기술의 작업순서를 순차적으로 도시한 설명도.
도 2는 DMF 기술 또는 다층 레이저 클래딩 기술을 이용하여 3차원 형상의 제품을 제조하는 종래기술의 작업순서를 순차적으로 도시한 설명도.
도 3은 DMF 기술과 다층 레이저 클래딩 기술을 이용하여 냉각유로를 형성하기 위해 구리관을 삽입하는 종래기술의 작업순서를 순차적으로 도시한 설명도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 금속제품의 제조방법의 공정을 순차적으로 도시한 사시도.
도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명에 의한 금속제품의 여러가지 실시예를 도시한 도면으로서, 각각 좌측은 정면도, 우측은 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 금속제품의 다른 실시예를 도시한 도면으로서, 도 6(a)는 평면도, 도 6(b)는 단면도, 도 6(c)는 정면도.
도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명에 의한 금속제품의 또 다른 실시예를 도시한 도면으로서, 각각 좌측은 정면도, 우측은 단면도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 금속제품의 또 다른 실시예를 도시한 투시도로서, 도 8(a)는 공간형성부재 설치후, 도 8(b)는 마무리부 설치후의 투시도.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 금속제품의 제조방법의 공정을 순차적으로 도시한 사시도이고, 도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명에 의한 금속제품의 여러가지 실시예를 도시한 도면으로서, 각각 좌측은 정면도, 우측은 단면도이며, 도 6은 본 발명에 의한 금속제품의 다른 실시예를 도시한 도면으로서, 도 6(a)는 평면도, 도 6(b)는 단면도, 도 6(c)는 정면도이다. 또한, 도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명에 의한 금속제품의 또 다른 실시예를 도시한 도면으로서, 각각 좌측은 정면도, 우측은 단면도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 금속제품의 또 다른 실시예를 도시한 투시도로서, 도 8(a)는 공간형성부재 설치후, 도 8(b)는 마무리부 설치후의 투시도이다.
그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 도면에 도시된 실시예에 한정되지 않는다. 특히, 도 4 내지 도 8에서는 설명의 편의를 위하여 단순한 형태의 금속제품을 도시하여 설명하지만, 본 발명에 의한 내부공간이 형성된 금속제품은 이러한 단순 형상에 한정되는 것은 아니며, 복잡한 형상의 내부공간 또는 외형(외관)을 갖는 수많은 제품에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
본 발명은 도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 금속제품 중에서 내부공간의 형상이 직선적이거나 단순한 부분에 해당하는 금속제품 본체(110)를 일반적인 기계공작 방법(예를 들어, 절삭가공이나 주조 등)이나 AF 가공(DMF 가공 또는 다층 레이저 클래딩 가공 등), 또는 이들의 복합가공을 통하여 형성한 후 금속제품 본체(110)의 내부공간을 드릴링과 같은 단순 작업으로 형성하며, 내부공간의 형상이 곡선적이거나 복잡한 부분을 공간형성부재(120)로 형성한 후 금속제품 본체(110)와 공간형성부재(120)를 결합하고, 그 위에 금속제품(100)에서 금속제품 본체(110)를 제외한 나머지 외관에 해당하는 마무리부(130)를 형성함으로써 복잡한 내부공간을 갖는 금속제품(특히, 금형)을 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 내부공간이 형성된 금속제품(100) 및 그 제조방법에 대해 살펴본다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 의한 내부공간이 형성된 금속제품(100)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 내부에 제1 공간(111)이 형성된 금속제품 본체(110)와, 상기 금속제품 본체(110)에 형성된 제1 공간(111)과 연결되는 제2 공간(125)이 형성된 공간형성부재(120)와, 상기 공간형성부재(120)를 덮어 금속제품(100)의 외관을 형성하는 마무리부(130)를 포함하여 형성된다.
본 발명에 의한 금속제품(100)은 금형이나 내부 또는 표면냉각이 필요한 각종 제품(예를 들어, 냉각유로를 갖는 기계공구, 장치 등 산업용 금속제품)을 들 수 있으며, 내부에 공간이 형성되어 있다면 그 용도나 형상은 특별히 제한되지 않는다.
다만, 설명의 편의를 위하여, 상기 금속제품이 금형으로서 기능하고, 상기 내부공간이 냉각유로로서 사용되는 예에 대하여 주로 설명하기로 한다.
상기 금속제품 본체(110)는 금속제품(100)의 대부분을 차지하는 것으로서, 내부에 제1 공간(111)이 형성되어 있다.
이러한 금속제품 본체(110)는 통상의 기계공작 방법(예를 들어, 절삭가공, 주조 등)이나 AF 가공(DMF 가공 또는 다층 레이져 클래딩 가공 등), 또는 이들의 복합가공을 통하여 형성되는 것으로서 내부에 냉각유로와 같은 제1 공간(111)이 형성된다.
이때, 상기 금속제품 본체(110)에 형성되는 제1 공간(111)은 직선적이거나 단순한 형상의 공간을 이루며, 드릴링과 같은 단순 기계가공으로 형성될 수 있다.
따라서, 금속제품의 상당부분을 차지하는 금속제품 본체(110)는 일반적인 기계공작 방법이나 AF 가공에 의해 용이하게 형성될 수 있으며, 그 내부에 형성된 제1 공간(111)도 단순 가공에 의해 손쉽게 형성될 수 있다. 그 결과, 금속제품 본체(110)의 제작이 매우 용이하여 제조비용과 시간을 절감할 수 있게 된다.
특히, 후술하는 바와 같이 금속제품(100)에서 오버행 구조나 유로방향이 변하는 부분을 후술하는 공간형성부재(120)로 형성하게 되므로, 금속제품 본체(110)는 그 형상이 간단하여 DMF 기술이나 다층 레이저 클래딩 기술 등 AF 기술을 이용해서도 용이하게 제작할 수 있게 된다. 이때, 금속제품 본체(110)에는 전술한 바와 같이 오버행 구조 등이 없으므로 DMF 기술이나 다층 레이저 클래딩 기술과 같은 AF 기술을 통해 제1 공간(111)도 형성된 금속제품 본체(110)를 제작할 수 있게 된다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 금속제품 본체(110)에는 공간형성부재(120)가 장착될 수 있는 장착홈(112)이 형성된다. 이러한 장착홈(112)은 공간형성부재(120)의 적어도 일부가 장착되어 고정될 수 있도록 상기 공간형성부재(120)와 거의 동일한 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 일 예로서, 상기 공간형성부재(120)는 상기 금속제품 본체(110)와 접촉된 상태를 유지할 수 있도록 상기 장착홈(112)에 고무 망치 등으로 압입될 수 있다. 그러나, 금속제품 본체(110)에 장착홈(112)이 형성되지 않는 것도 가능하며, 이 경우에는 제2 공간(125)이 제1 공간(111)과 연결된 상태에서 접촉부분을 용접이나, DMF 기술, 다층 레이저 클래딩 기술 등을 이용하여 접합하는 것도 가능하다.
그리고, 상기 장착홈(112)은 금속제품 본체(110)의 표면에 노출되어 있으므로 간단한 절삭가공을 통하여 용이하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 공간형성부재(120)는 상기 금속제품 본체(110)에 형성된 제1 공간(111)과 연결되는 제2 공간(125)이 형성되며, 상기 금속제품 본체(110)의 장착홈(112)에 장착된다.
이때, 상기 제2 공간(125)은 상기 제1 공간(111)을 통해 흐르는 냉각액에 가해지는 유로저항을 최소화하기 위하여 상기 제1 공간(111)과 동일한 단면적 및 형상을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 공간(111) 및 제2 공간(125)은 모두 원형 단면의 구조를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 공간형성부재(120)는 도 4에 도시된 바와 같이, 2 이상의 분리부재(121, 122)가 결합되어 형성될 수 있고, 상기 분리부재(121, 122)가 결합된 상태에서 상기 제2 공간(125)을 형성하도록 구성될 수도 있다.
이와 같이, 공간형성부재(120)가 복수개로 분할 형성되는 경우에는 복잡한 형상을 갖는 제2 공간(125)의 제조가 가능하게 된다. 즉, 공간형성부재(120)가 복수개로 분할 형성되는 경우에는 도 4(c) 및 도 5(a)에 도시된 바와 같이 제1 공간(111)의 냉각유로의 방향이 전환되는 곡선 부분(곡면을 갖는 부분)을 용이하게 형성할 수 있다. 그러나, 공간형성부재(120)는 이와 같이 분할 후 조립되어 형성되는 것에 한정되지 않고 도 5(b) 및 도 6에 도시된 바와 같이 제2 공간(125)이 형성된 하나의 부재로서 형성될 수도 있다.
이러한 공간형성부재(120)는 금속제품 본체(110)와 마찬가지로 통상의 기계공작 방법(예를 들어, 절삭가공, 주조 등)이나 AF 가공(DMF 가공 또는 다층 레이져 클래딩 가공 등), 또는 이들의 복합가공에 의해 형성될 수 있다. 또한, 제2 공간(125)은 도 4에 도시된 바와 같이 공간형성부재(120)를 형성하는 분리부재(121, 122)의 외부에 노출된 상태를 이루므로 제2 공간(125)을 절삭가공(방전가공 포함)과 같은 기계가공에 의해 형성할 수 있으나, 주조나 AF 가공에 의해 공간형성부재(120)의 몸체와 동시에 형성하는 것도 가능하다. 이때, 제2 공간(125)을 절삭가공에 의해 형성하는 경우에는 면이 매끄러워 유로저항이 적고 부식 발생이 적다는 이점이 있게 된다.
이와 같이, 공간형성부재(120)에 형성되는 제2 공간(125)은 제1 공간(111)과 연통되는 곡면부분을 이루므로 금속제품에 형성되는 복잡한 형상의 내부 공간을 용이하게 형성할 수 있도록 기능하게 된다.
또한, 상기 공간형성부재(120)의 재질을 상기 금속제품 본체(110)와 동일한 재질로 하거나 상기 금속제품 본체(110)보다 내부식성이 큰 재질로 하는 경우에는 공간형성부재(120)의 장착으로 인한 부식의 문제를 해결할 수 있다. 즉, 종래의 SLS 기술과 SLM 기술을이용하여 금형을 제작하는 경우에는 제작된 냉각유로의 표면이 거칠기 때문에 부식속도가 빠르며, DMF 기술과 다층 레이저 클래딩 기술에서 냉각유로의 형성을 위해 저융점의 금속분말을 사용하는 경우에는 저 융점 금속이 완전히 제거되지 않고 냉각유로에 잔존하여 부식(특히, 갈바닉 부식)이 발생할 수 있지만, 본 발명의 일 실시예에 의한 경우에는 공간형성부재(120)와 금속제품 본체(110)의 재질이 동일하거나 공간형성부재(120)를 내부식성 재질로 형성할 수 있으므로 부식의 문제를 해결할 수 있게 된다.
그리고, 마무리부(130)는 상기 공간형성부재(120)가 상기 금속제품 본체(110)에 장착된 상태에서 상기 공간형성부재(120)를 덮어 금속제품의 외관을 형성하게 된다.
이러한 마무리부(130)는 상기 공간형성부재(120)가 금속제품 본체(110)로부터 이탈하지 않도록 그리고 상기 마무리와 공간형성부재(120)의 결합이 완전히 이루어지도록 상기 금속제품 본체(110) 및 상기 공간형성부재(120)와 금속결합이 이루어지는 것이 바람직하다.
즉, 상기 마무리부(130)가 상기 공간형성부재(120) 및 금속제품 본체(110)와 금속 결합을 이루는 경우에는 상기 공간형성부재(120)가 장착홈(112)에 장착된 상태에서 마무리부(130)와 완전히 결합되므로 공간형성부재(120)의 이탈을 방지할 수 있게 되고, 공간형성부재(120)와 마무리부(130)가 완전히 밀착하게 되므로 상기 제2 공간(125)을 흐르는 냉각액과 마무리부(130) 표면 사이의 열전달이 효율적으로 이루어질 수 있게 되고, 이로 인해 마무리부(130)의 표면에서도 냉각효율을 극대화할 수 있게 된다.
이때, 금속제품 본체(110)의 장착홈(112)은 공간형성부재(120)가 위치를 유지할 수 있도록 최소한의 깊이로 형성될 수 있다. 따라서, 공간형성부재(120)의 대부분의 영역은 장착홈(112)의 외부로 노출되어 마무리부(130)와 결합될 수 있으므로 냉각효율의 극대화가 가능하다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 구리관을 이용하여 냉각유로를 만드는 종래기술의 경우에는 구리관(4)의 장착을 위한 안착홈(3)이 구리관(4)의 반경에 대응하는 깊이를 가져야 하므로 안착홈(3)에 설치되는 구리관(4)의 하측, 즉 구리관(4) 절반의 영역은 금속제품과 접합되지 못하고 떨어져 있기 때문에 냉각효율이 저하될 수 있다는 문제점이 있으나, 본 발명의 일 실시예에 의한 경우에는 장착홈(112)의 깊이를 최소화할 수 있어 종래기술보다 우수한 냉각효율을 얻을 수 있다. 특히, 도 3에 도시된 종래기술의 경우에는 서로 다른 높이에 있는 3차원 상의 유로를 형성하기 위해서는 구리관의 설치를 위한 안착홈(3) 가공이 어렵거나, 안착홈(3) 형성과 구리관(4) 설치가 계속하여 반복되어야 한다는 문제가 있으나, 본 발명의 일 실시예에 의한 경우에는 직선부분을 건 드릴링에 의해 형성하고 금속제품(금형)의 표면에 인접하여 유로방향이 전환되는 곡률부분이나 오버행 부분을 공간형성부재(120)로 분리형성함으로써 유로 설치가 용이하다는 이점이 있다.
또한, 구리관을 사용하여 내부공간(냉각유로)을 형성하는 도 3의 종래기술의 경우에는 꺾이거나 구부러진 부분의 구리관(4) 단면이 일정하지 않고, 꺾임이 심할 경우 구리관(4) 내부에서 냉각액의 흐름에서 난류가 발생할 수 있지만, 본 발명의 일 실시예에 의하면 내부공간의 단면을 일정하게 할 수 있어 냉각액이 곡면을 따라 자연스럽게 방향을 전환하여 흐를 수 있으므로 냉각액의 정체나 난류가 발생하지 않게 된다. 나아가, 구리관(4)을 사용하여 내부공간(냉각유로)을 형성하는 도 3의 종래기술의 경우에는 구리관(4)이 안착홈(3)에 안정적으로 장착될 수 없으므로 들뜸 현상이 발생하게 되고 이로 인해 후속의 DMF 가공이나 다층 레이저 클래딩 가공과 같은 AF 가공이 원활히 이루어질 수 없지만, 본 발명의 일 실시예에 의하면 공간형성부재(120)가 안착홈(112)에 안정적으로 안착되므로 후속의 DMF 가공이나 다층 레이저 클래딩 가공과 같은 AF 가공을 수행할 때 공간형성부재(120)와 마무리부(130)의 안정적인 금속결합이 가능하다는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 전술한 금속결합을 달성하기 위하여, DMF(direct metal fabrication, 직접 금속 성형) 기술 또는 다층 레이저 클래딩 기술에 의해 형성될 수 있다. 이때, DMF 기술 또는 다층 레이저 클래딩 기술은, 마무리부(130)가 형성되어야 하는 공간형성부재(120) 및/또는 금속제품 본체(110)의 표면이 3차원적 형상을 갖는 경우에도 적용 가능하다는 이점이 있다.
그러나, 마무리부(130)가 형성되어야 하는 공간형성부재(120) 및/또는 금속제품 본체(110)의 표면이 평면적인 2차원 면을 갖는 경우에는 금속결합을 이루는 마무리부(130)를 형성하기 위하여 SLS(selective laser sintering, 선택적 레이저 소결법) 기술, SLM(selective laser melting, 선택적 레이저 용융법) 기술을 이용할 수도 있다.
이와 같은 AF 기술 이외에도 상기 마무리부(130)의 형성을 위해서는 공지의 용접, 도금, 증착, 용사 등의 방법도 사용될 수 있다.
또한, 상기 마무리부(130)를 형성하기 이전에 상기 공간형성부재(120)가 상기 장착홈(112)에 장착된 상태에서 DMF, 다층 레이저 클래딩, 용접 등의 방법을 통하여 장착홈(112)에서 고정된 상태를 유지하도록 구성될 수 있다. 그리고, 공간형성부재(120)가 2 이상의 분리부재(121, 122)로 이루어지는 경우에는 마무리부(130)의 형성과정에서 제2 공간(냉각유로)(125)의 형상이 안정적으로 유지될 수 있도록 공간형성부재(120)를 장착홈(112)에 장착하기 전 또는 장착한 후에 DMF, 다층 레이저 클래딩, 용접 등을 통하여 경계부(L)를 접합하는 것이 바람직하다.
그리고, 마무리부(130)가 형성된 후에 상기 마무리부(130)의 표면을 매끈하게 다듬는 다듬질 공정이 추가될 수도 있다.
한편, 도 4에서는 금속제품에 형성되는 냉각유로가 비교적 단순한 형상을 가지고 있으며, 하나의 공간형성부재(120)가 금속제품의 상측에 구비되는 것으로 도시되어 있지만, 이러한 냉각유로의 형상은 다양하게 형성될 수 있으며, 복수개의 공간형성부재(120) 및 이를 덮는 하나 또는 복수의 마무리부(130)가 사용될 수도 있고, 공간형성부재(120)의 장착위치도 냉각유로의 형상에 따라 금속제품의 상측 뿐만 아니라 하측, 측면 등 다양한 위치가 될 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 의한 내부공간이 형성된 금속제품에 대해 살펴본다.
도 5(a)는 도 4에 도시된 금속제품과 유사하게 2개의 분리부재(121, 122)로 이루어진 공간형성부재(120)를 구비하는 금속제품을 도시한 것이고, 도 5(b)는 도 4의 금속제품과 달리 공간형성부재(120)가 하나의 부재로 형성된 경우를 도시하고 있다.
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 공간형성부재(120)는 복수개의 분리부재(121, 122)로 이루어질 수 있으며, 복수개의 분리부재(121, 122)가 결합된 상태로 금속제품 본체(110)에 형성된 장착홈(112)에 장착된다. 이후, DMF 기술, 다층 레이저 클래딩 기술 등에 의해 마무리부(130)를 형성하여 3차원적인 금속제품 외형을 완성하게 된다. 이때, 제1 공간(111)과 제2 공간(125)은 동일한 단면형상과 단면적으로 서로 연결되어 유로저항을 최소화하면서 냉각유로를 형성하게 되고 이를 통하여 마무리부(130)에 해당하는 금속제품의 표면까지도 효율적인 냉각을 수행할 수 있게 된다.
이와는 달리, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 공간형성부재(120)를 하나의 부재로 형성하고 공간형성부재(120)가 장착홈(112)에 장착된 상태에서 하측에 제1 공간(111)과 연통하는 제2 공간(125)을 형성할 수 있다. 이와 같이, 도 5(b)의 경우에는 하측에 공간이 형성된 오버행 구조를 달성할 수 있으므로 DMF 기술이나 다층 레이저 클래딩 기술에 의해 구현하기 어려운 오버행 구조의 냉각유로를 형성할 수 있다는 이점이 있게 된다.
또한, 도 5(b)의 경우에는 공간형성부재(120)의 일측에 제2 공간(125)이 완전히 노출된 상태를 이루므로 공간형성부재(120)를 분리 형성하지 않고도 공간형성부재(120)에 제2 공간(125)을 절삭가공으로 형성할 수 있게 되고, 이로 인해 간단한 방법으로 제2 공간(125)을 갖는 공간형성부재(120)를 형성할 수 있게 된다. 또한, 금속제품 본체(110)의 경우에도 드릴링과 같은 절삭가공으로 제1 공간(111)의 직선부를 형성하고, 마무리 절삭가공을 통하여 제2 공간(125)에 대응하는 형상의 제1 공간(111)을 형성할 수 있게 된다.
이와 같이, 마무리부(130)로 공간형성부재(120)를 덮음으로써 공간형성부재(120)와 마무리부(130) 표면까지의 거리를 최소화하면서도 냉각유로를 형성할 수 있으므로 금속제품의 표면온도를 균일하도록 냉각유로를 설정할 수 있어 효율적인 표면 냉각을 달성할 수 있게 된다. 특히, 장착홈(112)의 깊이를 최소화함으로써 금속제품 본체(110)에서 노출되는 대부분의 공간형성부재(120)의 부분과 마무리부(130)의 금속결합을 달성할 수 있으므로 공간형성부재(120)와 마무리부(130) 표면 사이의 열교환이 원활히 이루어져 냉각효율을 극대화할 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의한 내부공간이 형성된 금속제품(100)을 도 6을 참조하여 살펴본다.
도 6의 경우에도 도 5(b)의 경우와 마찬가지로 하나의 부재로서 공간형성부재(120)를 형성하며, 하측에 공간이 형성된 오버행 구조를 공간형성부재(120)로서 구현하고 있다.
도 6(b)에 상세히 도시된 바와 같이, 직선적인 제1 공간(111)을 금속제품 본체(110)에 드릴링 등을 통해 형성하고 장착홈(112) 및 제2 공간(125)과 연결되는 제1 공간(111)을 절삭가공을 통해 형성한다. 이후, 공간형성부재(120)의 제1 공간(111)과 금속제품 본체(110)의 제1 공간(111)이 연결되도록 공간형성부재(120)를 장착홈(112)에 장착한다. 이때, 상기 제1 공간(111)은 유로방향이 전환되는 U자형 부분의 절반 가량을 포함하게 되며, 제2 공간(125)은 U자형 부분의 나머지 절반부분이 형성되어 전체적으로 금속제품 본체(110)와 공간형성부재(120)를 통하여 연결된 내부공간을 형성하게 된다.
또한, 도 6에 도시된 내부공간이 형성된 금속제품(100)의 경우에는 공간형성부재(120)가 MF 기술이나 다층 레이저 클래딩 기술에 의해 제작하기 어려운 오버행 구조를 형성하므로, 공간형성부재(130)의 상측에 DMF 기술이나 다층 레이저 클래딩 기술을 이용하여 마무리부(130)를 형성할 수 있다. 물론, 이러한 AF 기술 이외에도 용접, 도금, 증착, 용사 등의 방법에 의해서도 마무리부(130)의 형성이 가능하다.
다음으로 도 7을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 내부공간이 형성된 금속제품(100)에 대해 살펴본다.
도 7(a)는 도 4 및 도 5와 같이 공간형성부재(120)가 장착홈(112) 외부로 노출된 상태를 도시하고 있고, 도 7(b)는 도 6과 같이 공간형성부재(120)가 장착홈(112) 내에 함몰된 상태로 설치된 상태를 도시하고 있다.
도 7(a)의 경우에는 공간형성부재(120)와, 금속제품 본체(110) 및 공간형성부재(120)가 대부분 금속결합을 통해 형성될 수 있고, 이로 인해 공간형성부재(120)의 제2 공간(125)을 흐르는 냉각액과 마무리부(130)에 해당하는 금속제품의 표면 사이에 열전달이 원활히 이루어지므로 금속제품 표면의 냉각온도를 균일하게 달성할 수 있다.
그러나, 냉각이 중요하지 않거나 단순히 냉각유로의 방향을 전환할 필요가 있는 부분(예를 들어, 금속제품의 표면에서 먼 부분이나 표면 냉각이 중요하지 않은 표면에 인접한 부분 등)에서는 도 7(b)와 같이 공간형성부재(120)를 장착홈(112)에 함몰된 상태로 설치하는 것이 가능하다. 이 경우에, 공간형성부재(120)의 상면과 금속제품 본체(110)의 상면이 평면이 되도록 하는 경우 DMF 기술이나 다층 레이져 클래딩 기술뿐만 아니라, SLS 기술이나 SLM 기술 등에 의해서도 마무리부(130)를 형성할 수 있다.
마지막으로, 도 8은 복수 개의 공간형성부재(120)를 구비하는 내부공간이 형성된 금속제품(100)을 도시하고 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 내부공간이 다소 복잡하게 형성된 경우에는 입구(111a) 측에서 드릴링 등을 통해 금속제품 본체(110)에 제1 공간(111)을 형성하고 이에 대응하는 제2 공간(125)을 갖는 복수 개의 공간형성부재(120)를 장착한 후{도 8(a)}, 공간형성부재(120)를 덮는 마무리부(130)를 형성하게 된다{도 8(b)}.
그러나, 도 8에 도시된 금속제품의 형상은 일 예에 불과하며, 금속제품의 표면 냉각을 위한 내부공간(냉각유로)의 형상에 따라 공간형성부재(120)의 형상, 개수, 위치 등에 있어서 다양한 변경이 가능할 것이다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명의 다른 측면에 의한 내부공간이 형성된 금속제품(금형이나 냉각이 필요한 각종 금속제품)의 제조방법(S100)에 대해 살펴본다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내부공간이 형성된 금속제품의 제조방법(S100)은, 내부에 제1 공간(111)이 형성된 금속제품 본체(110)를 준비하는 공정(S120)과, 상기 제1 공간(111)과 연통하는 제2 공간(125)이 형성된 금속재질의 공간형성부재(120)를 준비하는 공정(S130)과, 상기 제1 공간(111)과 제2 공간(125)이 연통되도록 상기 공간형성부재(120)를 상기 금속제품 본체(110)에 장착하는 공정(S140)과, 상기 공간형성부재(120)를 덮어 금속제품(100)의 외관에 해당하는 마무리부(130)를 형성하는 공정(S150)을 포함할 수 있으며, 마무리부(130)를 형성한 이후에 마무리부(130)의 표면을 다듬는 다듬질 공정(S160)을 추가로 포함할 수 있다.
이때, 상기 금속제품 본체(110)를 준비하는 공정(S120)과, 공간형성부재(120)를 준비하는 공정(S130)의 순서는 변경 가능하다.
먼저, 상기 금속제품 본체(110)를 준비하는 공정(S120)은 금속제품 본체(110)의 외관을 형성하도록 통상의 기계공작 방법(예를 들어, 절삭가공, 주조 등)이나 AF 가공(DMF 가공 또는 다층 레이저 클래딩 가공 등), 또는 이들의 복합가공을 이용하여 금속제품 본체(110)의 외형을 형성하는 공정(S110)을 거치게 되며{도 4(a)}, 이 상태에서 금속제품 본체(110)에 제1 공간(111)과 장착홈(112)을 드릴링 등의 절삭가공을 통해 형성하게 된다{도 4(b)}.
한편, 전술한 바와 같이 금속제품(100)에서 오버행 구조나 유로방향이 변하는 부분을 공간형성부재(120)로 형성하게 되므로, 금속제품 본체(110)는 그 형상이 간단하여 DMF 기술이나 다층 레이저 클래딩 기술과 같은 AF 기술을 이용해서도 용이하게 제작할 수 있게 된다. 이때, 금속제품 본체(110)에는 전술한 바와 같이 오버행 구조 등이 없으므로 DMF 기술이나 다층 레이저 클래딩 기술과 같은 AF 기술을 통해 제1 공간(111)과 장착홈(112)도 형성된 금속제품 본체(110)를 제작할 수 있게 된다.
또한, 공간형성부재(120)를 준비하는 공정(S130)도 통상의 기계공작 방법(예를 들어, 절삭가공, 주조 등)이나 AF 가공(DMF 가공 또는 다층 레이저 클래딩 가공 등), 또는 이들의 복합가공을 이용하여 공간형성부재(120)의 외형을 형성하고 이후에 추가적인 절삭가공을 통해 제2 공간(125)을 형성할 수 있다{도 4(c)}. 그러나, 제2 공간(125)까지 형성된 공간형성부재(120)를 하나의 공정, 예를 들어 주조나 AF 가공(DMF 가공 또는 다층 레이저 클래딩 가공 등)에 의해 제조하는 것도 가능하다.
이후, 공간형성부재(120)를 금속제품 본체(110)의 장착홈(112)에 장착하게 된다(S140, 도 4(d)}. 이때, 공간형성부재(120)가 복수 개의 분리부재(121, 122)로 이루어진 경우에는 마무리부(130)의 형성 과정에서 제2 공간(125)이 안정된 상태로 유지될 수 있도록 공간형성부재(120)를 장착홈(112)에 장착하기 전 또는 장착한 후에 분리부재(121, 122)의 경계부(L)를 DMF 기술, 다층 레이저 클래딩 기술, 용접 등에 접합하는 공정{도 4(d')}을 추가로 수행할 수 있다.
이와 같이, 공간형성부재(120)가 금속제품 본체(110)에 장착된 상태에서 마무리부(130)를 형성하여 금속제품의 외관을 형성하게 된다{도 4(e), S150). 이러한 마무리부(130)는 전술한 바와 같이, 상기 금속제품 본체(110) 및 상기 공간형성부재(120)와 금속결합이 이루어지는 것이 바람직하며, 일 예로서, DMF 기술 또는 다층 레이저 클래딩 기술에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 마무리부(130)의 베이스가 되는 표면의 형상이 평면적인 경우에는 SLS 기술, SLM 기술이 사용될 수도 있으며, 마무리부(130)의 형상과 관계없이 전통적인 방식인 용접, 도금, 증착, 용사 등의 방법도 사용될 수 있다.
그리고, 필요에 따라 도 4(f)에 도시된 바와 같이 마무리 절삭가공 등을 통한 다듬질 공정{도 4(f)}을 거쳐 내부공간이 형성된 금속제품(100)을 최종적으로 완성할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.
100... 금속제품 110... 금속제품 본체
111... 제1 공간 112... 장착홈
120... 공간형성부재 121, 122... 분리부재
125... 제2 공간 130... 마무리부

Claims (19)

  1. 내부에 제1 공간이 형성된 금속제품 본체;
    상기 제1 공간과 연통하는 제2 공간이 형성되며, 상기 금속제품 본체에 장착되는 공간형성부재; 및
    상기 공간형성부재가 상기 금속제품 본체에 장착된 상태에서 상기 공간형성부재를 덮어 외관을 형성하는 마무리부;
    를 포함하며,
    상기 금속제품 본체와 상기 마무리부는 제품의 외관을 형성하며,
    상기 공간형성부재는 상기 금속제품 본체 및 상기 마무리부의 외측으로 노출되지 않고,
    상기 마무리부는 상기 금속제품 본체 및 상기 공간형성부재와 금속결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속제품 본체에는 상기 공간형성부재가 장착되는 장착홈이 형성되며, 상기 공간형성부재는 상기 장착홈에 일부분만 장착되고 나머지부분은 상기 금속제품 본체의 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속제품 본체에는 상기 공간형성부재가 장착되는 장착홈이 형성되며, 상기 공간형성부재는 상기 장착홈 외부로 노출되지 않는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공간형성부재는 상기 제2 공간이 형성된 하나의 부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공간형성부재는 2 이상의 분리부재가 결합되어 형성되며, 상기 분리부재가 결합된 상태에서 상기 제2 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공간형성부재는 상기 제1 공간과 연결되는 제2 공간이 하부에 형성되어 하측에 공간이 형성된 오버행 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속제품은 금형 또는 냉각이 필요한 금속제품이며,
    상기 공간형성부재는 금속재질로 이루어지고,
    상기 제1 공간 및 제2 공간은 냉각유로인 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공간형성부재는 상기 냉각유로의 방향이 바뀌는 곡률부분을 형성하거나, 상기 냉각유로 중 하측에 공간이 형성된 오버행 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공간형성부재는 상기 금속제품 본체와 동일한 재질로 형성되거나 상기 금속제품 본체보다 내부식성이 큰 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속결합은 DMF(direct metal fabrication, 직접 금속 성형) 기술, 다층 레이저 클래딩 기술, SLS(selective laser sintering, 선택적 레이저 소결법) 기술, SLM(selective laser melting, 선택적 레이저 용융법) 기술 중 적어도 하나의 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품.
  11. 내부에 제1 공간이 형성된 금속제품 본체를 준비하는 공정;
    상기 제1 공간과 연통하는 제2 공간이 형성된 금속재질의 공간형성부재를 준비하는 공정;
    상기 제1 공간과 제2 공간이 연통되도록 상기 공간형성부재를 상기 금속제품 본체에 장착하는 공정; 및
    상기 공간형성부재를 덮어 금속제품의 외관에 해당하는 마무리부를 형성하는 공정;
    을 포함하며,
    상기 금속제품 본체와 상기 마무리부는 제품의 외관을 형성하며,
    상기 공간형성부재는 상기 금속제품 본체 및 상기 마무리부의 외측으로 노출되지 않고,
    상기 마무리부는 상기 금속제품 본체 및 상기 공간형성부재와 금속결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 금속제품 본체의 제1 공간은 직선부분을 포함하며 상기 직선부분은 드릴링에 의해 형성되고,
    상기 공간형성부재의 제2 공간은 곡선 부분을 포함하며 상기 곡선부분은 절삭가공, 주조, AF 가공 중 어느 하나 또는 이들의 복합가공에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 금속제품 본체와 상기 공간형성부재는 절삭가공, 주조, AF 가공 중 어느 하나 또는 이들의 복합가공에 의해 형성되며, 상기 금속제품 본체의 제1 공간을 구성하는 직선부분은 드릴링에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 금속결합은 DMF(direct metal fabrication, 직접 금속 성형) 기술 또는 다층 레이저 클래딩 기술에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품의 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 금속결합은 SLS(selective laser sintering, 선택적 레이저 소결법) 기술, SLM(selective laser melting, 선택적 레이저 용융법) 기술 중 적어도 하나의 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품의 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 공간형성부재는 2 이상의 분리부재가 결합되어 형성되며, 상기 분리부재가 결합된 상태에서 상기 제2 공간을 형성하며,
    상기 공간형성부재는 상기 금속제품 본체에 형성된 장착홈에 장착되기 전 또는 장착된 후 상기 분리부재의 경계부를 접합하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품의 제조방법.
  18. 제11항 내지 제13항, 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속제품은 금형 또는 냉각이 필요한 금속제품이며,
    상기 제1 공간 및 제2 공간은 냉각유로인 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 공간형성부재는 상기 냉각유로의 방향이 바뀌는 곡률부분을 형성하거나, 상기 냉각유로 중 하측에 공간이 형성된 오버행 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 내부공간이 형성된 금속제품의 제조방법.
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