3D 프린팅의 이해 프로세스 및 주요 특징
3D 프린팅이 어떻게 발전하여 제조업에 혁명을 일으켰는지 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 분말로 시작된 3D 프린팅의 기원에서부터 3D 프린팅의 주요 프로세스와 특징에 대해 자세히 살펴봅니다.
레이저와 원자재만으로 복잡한 물체를 처음부터 다시 만든다고 상상해 보세요. 이것은 공상 과학 소설이 아니라 최첨단 적층 제조 공정인 3D 레이저 프린팅의 마법입니다. 이 글에서는 사용되는 다양한 방법과 재료를 살펴보고 특정 폴리머, 금속 및 세라믹이 이 기술에서 탁월한 이유를 살펴봅니다. 독자들은 이 혁신이 어떻게 제조업을 혁신하고 있는지 알아보고 재료 적합성과 달성 가능한 놀라운 정밀도에 대한 인사이트를 얻을 수 있습니다. 3D 레이저 프린팅이 단순히 물체를 성형하는 것이 아니라 어떻게 산업을 재편하고 있는지 알아보세요.
일부 폴리머, 금속, 세라믹은 다른 재료보다 적층 제조(AM) 공정에 더 적합합니다. 또한 다양한 AM 방법 간에는 몇 가지 차이점이 있습니다.
적층 제조 부품의 기계적 특성이 지속적으로 개선됨에 따라 적층 제조는 다양한 응용 분야에서 점차 인정을 받고 있습니다. 이에 따라 적층 가공에 적합한 다양한 소재가 업계의 주목을 받고 있으며, 소재는 적층 가공 공정과 떼려야 뗄 수 없는 관계에 있습니다.
잘 알려진 바와 같이, 재료가 적절한 공정과 호환되어야 하기 때문에 모든 재료를 용접하거나 주조할 수 있는 것은 아니며, 이는 3D 프린팅에도 마찬가지입니다.
제조 공정과 원자재를 함께 고려해야 합니다. 적층 가공 재료에 관심이 있는 독자는 참고자료 1에서 이 주제에 대한 최근 게시된 리뷰 기사를 참조하여 자세한 내용을 알아볼 수 있습니다.
2016년 적층 제조 재료의 매출은 전년 대비 171% 증가한 1조 4,900억 달러였습니다. 2010년 이후 적층 제조 재료의 매출은 선형적으로 성장했으며 2025년에는 적층 제조 재료의 매출이 1조 4천 5백 80억 달러에 달할 것으로 예상됩니다.
적층 제조 연합은 현재 적층 제조 공정을 7가지로 분류하고 있습니다(표 참조). 레이저를 사용해야 하는 세 가지 공정은 다음과 같습니다: 파우더 베드 퓨전(PBF), 지향성 에너지 증착(DED), 통 광중합입니다.
파우더 베드 퓨전(PBF)의 경우, 먼저 얇은 파우더 층을 기판에 펴고 컴퓨터로 제어되는 레이저 빔이 파우더 표면을 스캔합니다. 그런 다음 다른 파우더 층을 추가하고 스캔한 다음 이 과정을 반복합니다. 방향성 에너지 증착(DED) 공정에서는 파우더 또는 와이어가 측면에서 에너지원(레이저 또는 전자 빔)으로 들어갑니다.
파우더 베드 융합과 지향성 에너지 증착 모두 일반적으로 50~500W 레이저를 사용하여 재료를 가열하고 용융합니다. 통 광중합은 특정 파장의 밀리 와트급 레이저를 사용하여 액체 열경화성 폴리머 재료에서 광유도 가교를 달성합니다.
적층 제조 분야 연구 기관인 Wohlers의 보고서에 따르면, 2016년에 소비된 전체 적층 제조 폴리머 중 46%가 통 광중합 수지와 재료 증착 열경화성 수지였습니다.
압출 공정에 사용되는 재료 중 비정질 폴리머가 24%, 분말 베드 융합 공정에 사용되는 재료 중 반결정성 열가소성 플라스틱이 30%를 차지했습니다.
파우더 베드 융착 공정에 사용되는 폴리머는 일반적으로 폴리아미드, PEEK, TPU와 같은 반결정성 열가소성 플라스틱입니다. 비정질 열가소성 플라스틱은 일반적으로 용융 온도의 점도 범위가 넓어 공정 온도 범위를 최소화하고 분말 베드 융착 공정에서 바람직하지 않은 고점도 용액을 생성하기 때문에 성능이 좋지 않습니다.
용융 온도 범위가 넓으면 부품이 과도하게 소결될 수도 있습니다. 그림 1은 레이저 소결 공정에 비정질 PLA 분말을 사용했지만 이상적인 결과를 얻지 못한 예를 보여줍니다.
파우더 베드 융합 공정에 사용되는 반결정성 폴리머의 중요한 특징은 가열 시 높은 융점과 냉각 시 낮은 결정화 온도의 차이입니다.
이 온도 창은 파우더 베드 융합 빌드 챔버가 폴리머의 융점 바로 아래까지 가열되고 빌드 온도가 파우더 층의 응집을 방지할 수 있을 정도로 충분히 낮을 정도로 충분히 커야 합니다.
이 온도는 결정화 습도보다 높고 녹는점보다 낮은 온도 범위 내에 있어야 합니다.
레이저가 분말을 스캔하여 녹일 때 분말은 빌드 챔버 온도까지 냉각되지만 결정화 온도에 도달하지 않았기 때문에 용융 구조를 유지합니다. 따라서 녹은 부분은 녹은 상태로 유지됩니다.
일반적으로 여러 층의 분말을 위에 올려놓으면 천천히 결정화되어 다음과 같은 상당한 이점이 있습니다. 잔류 스트레스 부품 변형을 최소화할 수 있습니다. 그러나 이 현상은 일반적으로 금속에서는 불가능하며 시공 중 부품 변형을 방지하기 위해 많은 양의 지지 구조가 필요합니다.
홉킨슨은 합금 원료를 녹는점이 높은 두 가지 성분으로 나누는 새로운 금속 제조 방법을 제안했습니다. 레이저(또는 전자 빔)가 재료를 스캔하여 녹이면 저융점 금속(예: 유텍틱)이 형성되어 용융 상태로 유지됩니다. 이 방법은 폴리머 방식을 모방한 것으로 지지대가 필요하지 않습니다.
압출 기반 공정의 경우 고점도 페이스트 폴리머는 압출 및 재료 배치를 가장 잘 제어할 수 있습니다.
이 공정에 적합한 일반적인 폴리머 재료는 비정질 재료(예: PLA, ABS 및 폴리아미드)입니다. 재료 압출 시 반결정성 재료를 사용하려고 하면 초콜릿이나 PEEK로 다층 부품을 만드는 것과 유사하게 일반적으로 품질이 떨어지는 구조가 생성됩니다.
통 광중합 및 재료 분사 공정에 사용되는 폴리머는 일반적으로 특정 파장의 빛 조건에서 가교를 달성할 수 있는 광개시제가 포함된 열경화성 폴리머입니다. 초기 상업용 재료는 모두 아크릴산 에스테르를 기반으로 했지만, 에폭시 수지는 수축과 유해 산소 영향이 더 커서 도입되었습니다.
적층 제조에 사용되는 금속 재료의 일반적인 규칙은 금속이 용접이나 주조에 적합하다면 적층 제조에도 적합할 가능성이 높다는 것입니다.
박판 적층 공정(예: 초음파 발생기를 사용하여 가공 전에 금속 호일 사이에 고체 상태의 용접을 형성하는 초음파 적층 제조)과 금속 접착제 분사 공정(금속 분말 층에 접착제를 분사하는 방식)을 제외하고 금속 적층 제조 공정은 주로 용융에 의존합니다.
일반적인 금속 적층 제조 합금 재료.
적층 제조에 일반적으로 사용되는 합금은 Ti-6Al-4V, AlSi10Mg를 포함하여 용접/주조에도 적합합니다, 316L 스테인리스 스틸및 CoNiCr. 용접성/주조성이 제한된 금속을 적층 제조에 사용하면 일반적으로 결과물인 부품에 결함이 많이 발생합니다.
국가 표준 GB/T 5237.5-2019에서 적층 제조에 알루미늄 합금 6061 소재를 사용하는 사례는 이 점을 잘 보여줍니다: 사용된 소재는 사전 합금화되어 있습니다. Al6061는 응고 온도 범위가 넓고 열팽창 계수가 큰 AlMgSi 합금으로, 응고 시 수직(z 방향) 입자 경계 균열을 일으킬 수 있습니다.
순수 알루미늄 분말 원료에 Mg2Si 입자를 혼합하면 적층 제조로 생산된 부품의 균열을 방지할 수 있습니다. 이 경우 레이저 스캐닝 중에 Mg2Si가 녹지 않기 때문에 원료의 응고/용융 특성이 순수 알루미늄에 의해 지배됩니다.
그림 2b에서 볼 수 있듯이, 용접이 가능한 순수 알루미늄 소재 를 사용했습니다.
또한 적층 제조 공정에 적합한 금속 합금은 사용되는 조건과 장비에 따라 달라질 수 있습니다.
예를 들어 Renishaw의 적층 제조 기계는 Al6061 소재를 성공적으로 처리할 수 있는 반면 EOS DMLS 기계는 이 소재를 균열 없이 처리할 수 없다는 보고가 있습니다.
세라믹 적층 제조를 위해 융합 방법을 사용할 때 몇 가지 도전 과제가 존재합니다.
대부분의 경우 세라믹 소재는 녹는점이 매우 높고 인성이 매우 낮기 때문에 냉각 중에 균열이 발생할 수 있습니다. 일부 그룹에서는 산화물 세라믹을 사용한 성공적인 사례를 보고한 바 있습니다.
보다 일반적인 방법은 레이저 가공 세라믹은 폴리머 바인더와 세라믹 파우더를 혼합하여 간접적으로 접근하는 방식을 사용합니다. 이 혼합 원료는 폴리머 파우더 베드 용융 또는 접착제 분사 공정을 사용하여 가공할 수 있지만, 결과물은 바인더를 연소/변환하고 부품을 소결하는 후처리 단계를 거쳐야 합니다.
이를 세라믹 원재료의 간접 적층 제조라고 합니다.
세라믹 사출 성형과 유사하지만, 적층 제조는 혼합물이 적층 제조에서 흐를 필요가 없기 때문에 바인더의 사용 비율이 낮다는 차이점이 있습니다.
표 1: 적층 제조 공정의 분류
| 프로세스 유형 | 레이저를 사용하시나요? | 사용 가능한 자료 |
| 파우더 베드 융합 | yes | 금속, 폴리머, 세라믹 |
| 직접 에너지 증착 | yes | 금속 |
| 컨테이너에서의 광중합 | yes | 폴리머, 서멧 |
| 얇은 라미네이션 | ** | 금속, 폴리머, 세라믹 |
| 접착제 스프레이 | ** | 금속, 폴리머, 세라믹 |
| 재료 분사 | 아니요 | 폴리머 |
| 재료 압출 | 아니요 | 폴리머 |
세라믹의 기계적 특성은 고유의 재료 거동과 결함의 크기 및 분포에 따라 달라집니다. 웨이불 통계는 일반적으로 세라믹의 강도를 설명하는 데 사용됩니다.
가장 일반적인 용어는 취성 고장이 발생할 수 있는 응력의 범위를 설명하는 웨이불 계수입니다.
웨이불 계수가 낮을수록 고장 응력의 범위가 넓어 특정 구성 요소의 고장 응력을 예측하기 어렵고, 웨이불 계수가 높을수록 고장 응력의 범위가 좁아져 특정 구성 요소의 고장 응력을 쉽게 예측할 수 있으므로 더 이상적입니다.
대부분의 경우 적층 제조로 생산된 세라믹 부품은 기존의 압착 및 소결 세라믹 부품에 비해 웨이불 계수가 낮습니다. 그러나 더 큰 결함이 제거되면 웨이불 계수도 증가합니다.
적층 가공으로 생산된 부품은 일반적으로 기존 가공 방법으로 만든 부품만큼, 아니 그보다 더 좋지는 않더라도 단단하고 강합니다. 이는 적층 제조로 생성되는 미세한 미세 구조와 관련이 있는 경우가 많습니다.
적층 제조 부품의 탄성 계수는 일반적으로 핸드북 값과 같거나 약간 낮습니다. 이는 주로 탄성률을 감소시키는 잔류 다공성 때문입니다.
적층 제조 부품의 연성(피로 내구성 한계 및 파괴 인성)은 일반적으로 결함 구조의 정도와 관련이 있는 것으로 보입니다. 적층 제조 부품에서 결함을 제거하면(예: 금속의 열간 등방성 프레스를 통해) 일반적으로 이러한 기계적 특성을 핸드북 값으로 복원할 수 있습니다.
파우더 베드 용융 폴리머의 연성은 예외입니다. 적층 제조 공정에서 장쇄 폴리머는 원료 입자 경계에서 혼합되지 않지만 사출 성형의 경우 전단으로 인해 폴리머 장쇄가 완전히 혼합됩니다.
예를 들어, 적층 제조 폴리아미드(나일론)의 파단 변형률은 약 50%인 반면 사출 성형 폴리아미드는 200-400%의 파단 변형률을 가집니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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