적층 가공: 시제품부터 생산까지

적층 가공, 이른바 AM은 빠른 시제품 제작 주기 또는 제품을 더 신속하게 생산하기 위해 디지털 제조를 향한 광범위한 추세의 일부입니다.

3D 프린팅이 출현하기 전 3D 캐드 대중화 시절의 시제품 제작 공정을 생각해 보십시오. 엔지니어는 3D CAD를 도입하여 부품을 설계했지만 세부 사항은 2차원 도면으로 내보냈습니다. 그런 다음 내보낸 CNC(컴퓨터 수치 제어) 기계를 프로그래밍하는 기계 운영자가 2차원 도면을 읽어 부품을 생산했습니다. 오늘날 디지털 제조는 생산을 위해 3D 부품 모델을 기계(CNC 기계 공구 또는 3D 프린터)로 직접 전송합니다. 완전히 자동화된 알고리즘은 이러한 부품 빌드 실행을 구동합니다. 이 기능을 통해 부품 설계와 부품 생산 간의 지연을 크게 줄일 수 있습니다.

디지털 제조는 또한 엔지니어가 사용할 수 있는 정보를 크게 증가시킵니다. 때에 따라 웹 포털을 통해 시제품 제작 및 배치 제조 서비스에 제출한 설계는 즉각적인 제조 가능성 피드백과 정확한 가격을 반환할 수 있습니다. 따라서 여러 설계의 경우 시제품 제작을 시작하기도 전에 비용을 빠르게 산출할 수 있습니다.

그림 1: 모든 적층 가공 기기 유형(여기에 표시된 FDM 기반 기기 포함)은 3D 공간을 통해 압출 노즐(또는 기타 증착 엔드 이펙터)의 제어 및 조정된 모션에 대한 스테퍼 모터를 사용합니다. 60oz-in까지 토크를 낼 수 있는 NEMA 17 스테퍼 모터가 일반적입니다. (이미지 출처: Dreamstime)

AM은 이러한 현대 버전의 반복적인 선행 설계에 핵심입니다. 또한 AM을 사용하면 예를 들어 내부 격자가 있는 속이 빈 뼈 같은 구조처럼 기존 기계 가공으로는 불가능한 부품의 형태를 생산할 수 있습니다. 열가소성 플라스틱 부품을 저렴한 비용으로 빠르게 프린팅하는 능력은 초기 시제품 제작에 혁신적인 영향을 미칠 수 있습니다. 그러한 부품은 실제 시제품 부품이나 도구로 사용하여 기계로 가공한 부품을 고정하거나 복합재 부품을 성형할 수 있습니다. 고성능 금속 부품을 직접 프린팅할 수 있는 최신 개발로 인해 소량 생산을 위한 시제품을 제작하고, 생산 공구를 생산하며 심지어 부품까지도 직접 제조할 수 있게 되었습니다.

그림 2: 더 정숙하고 매끄러운 작동을 위해 고급 동작 제어를 사용하여 정현파 전류가 3D 프린터 축 모터로 흐를 때의 변동성을 최소화할 수 있습니다. 예를 들어 2상 스테퍼 모터를 구동하는 몇몇 독립형 IC는 모터 스텝과 방향을 구동하고 최적화된 초퍼 루틴을 사용하여 동작 성능, 모터 토크 및 효율성을 최대화합니다. (이미지 출처: Trinamic Motion Control GmbH)

독점 AM 공정에 대한 이름은 많지만 모든 공정은 7개의 ISO 표준 AM 종류 중 하나에 속합니다.

재료 압출 3D 프린팅: 재료는 노즐이나 분사구를 통해 선택적으로 분사됩니다. 가장 일반적으로 열가소성 플라스틱 폴리머는 압출되는 재료이며 이 공정은 흔히 필라멘트 증착 모델링 또는 FDM이라고 부릅니다. 거의 모든 저비용 3D 프린터와 심지어 여러 고급 기계도 FDM을 사용합니다.

분말소결방식(PBF): 레이저, 전자빔 또는 플라즈마 아크 등 열에너지는 분말 베드에 포함된 분말 재료의 영역을 녹이고 융합하는 데 중점을 두고 있습니다.

사실 1980년대에 개발된 분말소결방식의 첫 번째 형태는 선택적 레이저 소결 또는 SLS라고 합니다. 오늘날 사용되는 특정 기술과는 대조적으로 SLS는 분말을 완전히 녹일 수 없었습니다. 따라서 밀도가 높은 부품을 생산할 수 없었습니다. 이제 최신 분말소결방식 장비가 금속 분말을 완전히 녹여 단조 부품의 입자 구조와 비슷한 입자 구조를 가진 밀도가 높은 부품을 생산합니다. SLS로 생산한 부품의 기계적 특성은 주조 부품의 특성보다 훨씬 더 우수할 수 있습니다.

광중합방식: 수조의 액체 포토폴리머는 선택적으로 광 활성화 중합으로 경화됩니다. 이 공정은 광조형이라고도 부릅니다.

그림 3: 광조형(SLA) 및 디지털 조명 처리(DLP)는 모델, 시제품, 패턴 및 생산 부품을 만드는 데 사용하는 적층 가공 기술입니다. (이미지 출처: Dreamstime)

직접용착방식(DED): 레이저, 전자빔 또는 플라즈마 아크의 열 에너지는 재료가 증착되는 동안 재료를 녹이고 융합하는 데 집중됩니다. 와이어 피드 또는 분사형 분말은 원료로 사용될 수 있습니다.

그림 4: 원형 레일 선형 가이드 및 노출형 동기식 벨트 구동은 테이블톱 3D 프린터와 더 정교한 장비에서 일반적으로 사용됩니다. (이미지 출처: Dreamstime)

바인더 분사(BJ) 및 재료 분사(MJ): BJ 공정에서 분말 재료를 결합하기 위해 액상 결합제가 선택적으로 증착됩니다. 반면에 MJ 공정에서는 잉크젯 프린팅과 매우 유사한 공정을 사용하여 빌드 재료 방울을 선택적으로 증착합니다.

그림 5: 이 3D 프린터에는 무거운 엔드 이펙터가 있으므로 SCARA 로봇 팔을 중심으로 구축됩니다. (이미지 출처: Dreamstime)

시트 래미네이션: 재료의 시트를 접착하여 부품을 형성합니다. 이 방법은 합판을 제조하는 방식과 유사한 복잡한 3D 부품을 만들기 위해 종이 프로파일을 쌓고 접착하는 초기 기계를 사용하는 가장 오래된 적층 공정입니다.

여러 AM 유형에 대한 장비 간의 공통성

모든 AM 방법은 2D 프로파일을 각각의 마지막 위에 쌓아 3D 부품을 구축하는 방법을 설명했습니다. 상당한 오버행 또는 분리되는 피처가 있는 레이어가 포함된 빌드에서 지지 구조물은 제일 먼저 증착된 다음 빌드 후 제거됩니다.

재료 압출 기반 FDM이 취미용 3D 프린터에서 플라스틱으로 산업용 시제품 제작에 이르기까지 모든 분야에 대한 지배적인 AM 접근 방식인 반면 2가지 공정은 고강도 항공 우주용 금속 부품을 생산하는 데 점점 더 일반적인 일이 되고 있습니다. 5가지 범주가 정의되어 있습니다.

• 소형의 완성된 부품용 분말소결방식(PBF)
• 최종 기계 가공이 필요한 경우가 있는 대형 부품을 위한 직접용착방식(DED)

그림 6: 고급 금속 작업물을 생산하기 위해 사용되는 AM 장비는 고급 동작 부품과 때에 따라 직접 구동 모터를 사용하는 서보 시스템입니다. 이러한 구축을 사용하여 운영자는 레이저 기반 빌드 접근 방식의 정밀도를 활용할 수 있습니다. (이미지 출처: Dreamstime)

모든 AM 공정 유형이 발전함에 따라 여러 동일한 자동화 솔루션을 사용하게 되었습니다. 예를 들어 볼 스크루 또는 벨트 구동을 사용하는 전기 기계 선형 액추에이터가 포함된 Festo의 다양한 고급 자동화 부품은 취미용부터 전문 장비에 이르는 FDM 기계와 매우 정교한 SLS 장비에서 찾아볼 수 있습니다.

AM 설계의 자유 및 한계

기계 가공과 같은 감법 공정에 비해 AM 부품의 중요한 장점은 자유롭게 여러 가지 모양을 만들 수 있다는 점입니다. 기계로 가공된 피처는 기계 공구가 절단기를 배치할 수 있는 위치에서만 만들 수 있습니다. 이는 종종 내부 모서리의 최소 반경을 제한하고 특정 오버행 피처를 어렵게 하며 단일 부품으로 내부 보이드를 만드는 것이 불가능하다는 것을 의미합니다. 이러한 한계로 인해 종종 볼트로 고정된 여러 부품으로 조립된 구조를 만들게 되고 강도와 신뢰성이 감소하면서 제조 비용과 무게가 증가합니다. 이러한 한계에서 벗어나 적층 공정을 사용하여 생산한 부품은 많은 부품을 통합하여 성능을 향상하면서 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

생성적 설계는 진화와 매우 비슷한 공정에서 여러 작은 변경을 수행하고 서로 다른 부품의 성능을 시뮬레이션하여 알고리즘이 부품을 설계하는 공정입니다. 결과로 나온 모양은 일반적으로 사람 설계자가 만드는 것보다 훨씬 복잡하며 자연이 진화한 구조와 매우 비슷합니다.

그림 7: 생성적 설계로 만든 구조는 디지털 제조 및 5축 CNC 기계 가공을 통해 생산되기도 하지만 적층 가공과 관련이 있는 경우가 많습니다. NASA Evolved Structures 프로그램은 여기에 표시된 부품을 만들었습니다. 기계 가공 부품이 고성능 응용 분야에 AM 변형보다 더 우수할 수 있으므로 NASA 팀은 CNC 기계 가공을 사용했습니다. 이는 AM 발전에도 불구하고 부분적으로는 기계로 가공한 부품이 재료 속성의 변동성이 더 적기 때문입니다. (이미지 출처: NASA)

유기적인 외부 모양과 내부 격자 및 채널로 인해 부품이 점점 복잡해짐에 따라 디지털 모델에는 더 많은 데이터가 필요합니다. 렌더링, 슬라이싱, 지지 구조물 세대 및 기계 코드와 같은 작업이 모두 더 어려워집니다. 확립된 테셀레이션 파일 형식(표면을 평면 삼각형의 메시로 표현)은 복잡해지고 있습니다. 한 가지 접근 방법은 삼각형을 더 적게 사용하여 표면을 비슷하게 하기 위해 3D 곡선 삼각형이 있는 메시 파일을 허용하는 것이었습니다.

이러한 복잡한 기하학적 구조를 표현하는 매우 효율적인 방법은 아직 대부분의 CAD 소프트웨어와 호환되지는 않지만 암시적인 기하학적 구조를 사용하는 것입니다.

AM을 사용하여 내부 기하학적 구조 제어

AM은 내부 기하학적 구조를 만드는 능력에 있어 독보적입니다. 이 기능은 불가능했던 경량 및 고강도 구조를 뼈 및 식물 줄기와 유사한 내부 격자를 사용하여 구현할 수 있습니다. 또한 이 기능을 사용하여 내부 덕트, 파이프, 매니폴드, 냉각 채널 또는 열교환기와 같은 피처를 갖춘 통합 부품을 설계할 수 있습니다. 이러한 부품은 관습적으로 파이프와 판으로 기계 가공 및 제조되어 일정한 지름과 채널 폭이 되지만 AM을 사용하면 프로파일을 다양하게 만들 수 있습니다. 열전달을 증가시키는 터뷸레이터와 같은 피처가 포함될 수 있습니다.

그림 8: 여기에는 GE의 Aero LEAP 연료 노즐이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: GE)

AM 항공 우주 부품이 수년간 항공기에서 사용된 방법을 생각해 보십시오. 가장 잘 알려진 예시 중 하나는 2015년부터 생산한 General Electric Aero LEAP 연료 노즐입니다. 이 노즐은 필요한 모든 복잡한 내부 채널을 가진 단일 통합 부품으로 18개의 부품을 대체했습니다.

AM을 더 효과적으로 사용한 것은 기존 800개 이상의 제조 부품을 12개의 AM 부품으로 통합한 General Electric Catalyst 터보프롭 엔진입니다. 이 엔진은 2023년에 인증받을 예정입니다.

레이저 빔 분말소결방식 또는 PBF-L은 가장 확립되고 완성된 AM 금속 공정입니다. 이 공정은 GE의 엔진 부품을 만드는 데 사용되고 또한 고품질 폴리머 부품을 생산할 수 있습니다. 빌드 볼륨 크기는 빌드 영역 전체에 일정한 기체 유량을 유지해야 하는 필요성과 분말로 베드를 채우는 비용으로 인해 약 400mm × 400mm × 800mm으로 제한됩니다. 금속 분말은 무겁고 또한 일정한 융합에 필요한 품질 면에서 비용이 매우 많이 듭니다. 단일 레이저에 대한 적층 속도는 시간당 최대 20cm³인 반면 여러 개의 레이저가 있는 시스템은 알루미늄 부품의 경우 시간당 최대 150cm³를 달성할 수 있습니다. 완성된 부품에 적합한 우수한 표면 마감을 얻을 수 있습니다. 표면 품질은 입자 지름이 5µm만큼 작은 분말 원료의 입자 크기에 좌우됩니다.

분말소결방식으로 생산한 부품의 재료 속성은 분말 재료가 고체 부품에 융합되는 용융 풀의 제어에 따라 크게 달라집니다. 이 용융 풀을 제어하는 것은 본질적으로 용접 작업과 동일하며 근본적인 이해는 수년간의 용접 연구 및 개발을 기반으로 합니다. 레이저 및 전자빔 용접은 50년 이상 사용해 왔지만 아크 용접은 100년 이상 사용해 왔습니다. 이러한 지식을 통해 종종 최고 성능의 단조 부품에 비교할 수 있는 고도로 정제된 입자 구조를 가진 부품을 생산할 수 있습니다. 그러나 공정 변동성이 다소 높습니다.

결론

흔하지는 않지만 레이저 외의 기타 에너지 빔도 분말소결방식에 사용할 수 있습니다. 전자빔 분말소결방식은 기계적으로 조종되는 거울이 필요하기보다 자기로 빔을 조종할 수 있다는 장점이 있습니다. 즉 빌드 속도가 다소 높을 수 있지만 표면 마감이 레이저 기반 공정만큼 섬세하지는 않습니다.

기술 스펙트럼의 다른 쪽 끝에서는 오픈 소스 3D 프린터를 가정에 구축하여 자신만의 고유한 부품을 프린팅할 수도 있습니다. 본질적으로 자체 복제가 되는 셈입니다. 스테퍼 모터와 같은 몇몇 자동화 부품만 구입하면 됩니다. 빌드의 모든 기계적 요소를 만들 수 있습니다.