금속 3D프린팅 과정 요약

작성자 MERAIN

작성일 21-11-05 15:48

조회수 1,228

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- 금속 3D프린팅 과정(METAL AM PROCESS) 요약

작성 기준은 PBF방식 기준으로 하였습니다.

금속 3D프린팅은 3D데이터를 기반으로 슬라이싱이라는 공정을 통해 한층씩 쪼개져 한층 한층에 해당하는 그림을 레이저가 해칭경로에따라 그리고 분말 도포를 반복하여 적층하는 과정입니다. 아래 그림을 보면 금속 3D프린팅 전과정에 대한 개략도가 나타나 있습니다.

PBF 금속 프린팅 방식에서 주로 사용하는 분말의 형태는 구(球)체 형태로 만들어 지며 이유는 분말의 치밀화와 유동성 흐름도등 다양한 이유가 있습니다.

모든 금속3D프린팅 과정에서 공통적인 부분은 열처리를 하고 후가공을 통해 완성하는 것입니다. 금속3D프린팅은 프린팅하는 과정보다는 열처리와 후가공이 매우 중요합니다. 그리고 금속분말 재사용을 위한 여과 작업(Sieving - 불순물을 제거하여 온전한 금속분말을 얻는 과정)을 진행하고 장비를 재정비(필터교체, 레이저 렌즈 클리닝 등등)합니다.

후가공의 경우 목적과 용도 소재에 따라 각각 다르기 때문에 금속 AM으로 제작하기 전 반드시 확인을 해야 합니다. 금속 AM으로 제작되는 제품은 제품 설계부터 프린팅 후가공까지 전과정의 흐름이 중요합니다.

- 금속 3D프린팅 하면 뭐가 좋을까?

3D프린팅을 하는 이유는 시제품 제작 및 맞춤형 다품종 생산에 최적화 되어 있습니다. 분말소재의 제조방식 부터가 고가이기 때문에 출력비용 또한 고가일 수 밖에 없죠. 그래서 고부가가치 산업인 의료, 항공, 자동차, 금형, 소재분야등 특수분야에 주로 쓰입니다. 금속3D프린팅은 이런 특수분야에 단비같은 존재입니다.

금속3D프린팅을 해야 하는 이유는 대략 3가지 정도가 있습니다.

첫번째로 설계의 자유도입니다. 적층가공은 설계 시 가공이 불가능한 부분을 고민할 필요 없습니다. 적층가공과 대비되는 절삭가공은 모터에 엔드밀을 달아 고속으로 회전시켜 쇠를 깎는 가공방법인데 형상 안쪽의 복잡한 부분(언더 컷)은 가공이 불가능하죠. 하지만 적층가공은 형상의 제약이 없어 설계가 매우 자유롭고 어떤 형상이든지 서포터만 붙히면 만들 수 있습니다. 원하는 모양대로 만들 수 있는 것입니다. 깎는다와 쌓다의 개념으로 이해하면 됩니다.

쇠를 깎으면 칩이라는 조각들(폐기물)이 나옵니다. 반면 적층가공은 필요한 부분만 조형하기 때문에 칩이 발생하지 않습니다.

두번째 이유로는 경량화입니다. 제품의 모양을 자유롭게 만들 수 있기 때문에 불필요한 부분은 제거하고 필요한 부분만 프린팅하여 사용할 수 있습니다. 경량화는 격자구조와 위상최적화를 통해 실현가능하며 두가지를 혼용해서 활용할 수 있습니다. 격자구조는 불필요한 부분을 격자구조로 대체하는 것을 말하며 위상최적화는 물체의 구조를 최적화 하는 개념으로 주어진 설계 공간 내에서 재료 분배를 최적화하는 방식입니다. 격자구조와 위상최적화를 진행할 때 설계된 제품의 성능 목표(강도, 치수, 성능)를 만족 시키면서 경량화를 해야합니다.

[그림] 격자구조(Lattice Structure) 진행 과정 과 경량화 효과 - Materialise

이 적층과정을 시뮬레이션 할 수 있는 프로그램도 다양합니다. 구조해석영역이기 때문에 대부분 해석SW를 개발하는 업체가 개발하게 됩니다. 격자구조는 경량화와 동시에 서포트(지지대)역할도 대신 한며 경량화를 적용하면 다양한 분야에서 매우 유용합니다. 간단한 예로 드론의 경우 부품들을 경량화 시키면 무게가 줄어 엔진소모가 덜하고 이는 체공시간이 늘어남을 뜻합니다.

[그림 알테어 위상최적화 - 인스파이어]

[그림] 적층제조시뮬레이션 SW - ANSYS, Materialise, Autodesk 등등

세번째 이유로는 맞춤형 다품종 생산이라는 것입니다. 환자의 몸에 맞는 치아, 뼈 임플란트등을 제작할 때 환자의 의료 스캔데이터를 가져와 환자 맞춤형으로 제작 가능하고 경량화를 통해 무게도 줄일 수 있습니다. 또한 부품 여러개로 조립하여 만들던 제품을 단일제품 상태로 직접 프린팅이 가능하기 때문에 내구성 향상에도 도움이 됩니다.

[그림] 좌) Acam 비구컵 샘플 , 우) Ge Aviation 엔진 노즐

금속3D프린팅의 전체 과정과 필요한 이유에 대해서 간단하게 적었습니다.

감사합니다.

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