적층 제조(AM) 및 파우더 베드 융합(PBD)
적층 제조
금형에서 주조하여 제품을 만드는 기존 제조 공정과 달리 적층 제조(AM)는 CAD(컴퓨터 지원 설계) 데이터를 사용하여 3D 복합 부품을 직접 생산할 수 있습니다. 따라서 적층 제조는 지난 몇 년 동안 빠르게 성장하여 현재 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 기술 중 하나가 되었습니다. 적층 제조라는 용어가 익숙하지 않으시다면 3D 프린팅이라는 다른 이름을 소개해 드리겠습니다.
기존 제조와 비교
컴퓨터 수치 제어와 같은 기존 제조 방식은 특정 제품에 적합한 도구와 재료를 선택해야 합니다. 또한 공구의 충돌을 방지하기 위해 컴퓨터가 실행할 수 있는 합리적인 경로를 만들어야 합니다. 또한 복잡한 제품을 만들기 위해 세부적인 계획을 세워야 합니다.
요컨대, 기존 제조 방식은 복잡하고 정교한 맞춤형 제품을 생산하기에는 복잡하고 유연성이 떨어집니다. 반면 적층 제조는 도구가 필요 없는 제조 방식입니다. 적층 제조는 빌딩 블록처럼 층층이 쌓아 올리는 방식이기 때문에 한계가 거의 없습니다. AM은 맞춤형 개인 부품을 쉽게 만들 수 있으며 인공 관절 및 치과 분야에서 두드러진 역할을 하고 있습니다.
적층 제조의 일반적인 프로세스
적층 제조의 핵심 아이디어는 재료를 단계별로 추가하는 것입니다. 그리고 전체 공정은 CAD 데이터에 의해 제어됩니다. 적층 가공은 레이저, 전자빔 또는 자외선(UV)과 같은 열원을 사용하여 금속을 녹여 층을 분사합니다. 적층 제조의 속도에 영향을 미칠 수 있는 중요한 요소는 레이어 두께입니다. 레이어 두께가 얇을수록 더 세밀하고 섬세한 부품을 만들 수 있으며, 동시에 적층 제조에 더 많은 시간이 소요됩니다. 지금까지 적층 제조 공정에 대한 간략한 요약입니다. 이제 더 자세한 정보를 알아보겠습니다.
1단계
첫 번째 단계는 CAD 소프트웨어를 사용하여 3D 모델을 구축하는 것입니다. 완성된 샘플을 스캔하여 반대로 사본 3D 모델을 만들 수도 있습니다. 주요 목표는 다음 인쇄를 위한 기하학적 디지털 부품을 만드는 것입니다.
2단계
그런 다음 CAD 데이터를 STL(표준 테셀레이션 언어) 형식으로 변환합니다. 이 형식 유형은 3D 피사체의 표면 형상만 나타내지만 CAD 데이터의 색상, 재질 또는 기타 속성을 표시할 수 없습니다. STL 형식은 때때로 AMF(적층 가공 파일)로 대체될 수 있습니다.
3단계
적층 가공은 재료를 레이어별로 제작하기 때문에 STL 데이터를 조각으로 '해체'해야 합니다. 그런 다음 이 조각들을 3D 프린팅 시스템에서 사용할 수 있는 코드로 변환해야 합니다. 일반적으로 생성된 공구 경로는 G 코드 형식으로 변환됩니다. 이것이 3D 프린팅 설정을 위한 모든 사전 준비 과정입니다.
4단계
사전 준비 후에는 불량품을 생산하지 않도록 적층 가공기를 올바르게 작동시켜야 합니다. 제품의 최종 단계는 재료 유형, 레이어 두께, 전원 공급 장치, 이동 속도, 환경 온도 등과 같은 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 또한 AM은 레이어 단위로 인쇄하는 방식이기 때문에 피어싱 또는 매달린 부품을 인쇄할 때는 반드시 지지대가 필요합니다. 또한 플레이트 서포트는 직접 제거하거나 다양한 솔벤트를 사용하여 분리할 수 있습니다. 이러한 고려 사항을 고려한 후 마지막으로 주의해야 할 것은 AM 장비가 작동할 수 있는 충분한 지지 재료가 있는지 확인하는 것입니다.
5단계
프린팅 공정이 완료되면 일부 제품은 플레이트에서 쉽게 제거할 수 있지만, 일부 제품은 태우거나 화학 용제를 사용하여 쓸모없는 부분을 녹여 대상 부품으로 남겨야 할 수도 있습니다.
특정 용도의 일부 제품은 사용하기 전에 제품의 요구 사항을 충족하기 위해 다른 공정을 거쳐야 합니다. 예를 들어, 일부는 제품의 특정 특성을 개선하기 위해 가열해야 하고, 일부는 부드러움 요구 사항을 충족하기 위해 연마해야 할 수 있습니다.
파우더 베드 융합
적층 제조에는 분말 베드 융합, 지향성 에너지 증착, 바인더 분사, 재료 분사, 재료 압출, 통 광중합, 시트 라미네이션 등 여러 부문이 있습니다[1]. 여기서는 레이저-파우더 베드 융합에 대해 집중적으로 살펴보겠습니다.
파우더 베드 퓨전이란?
분말 베드 용융은 레이저 또는 전자 빔을 가열원으로 사용하여 분말 입자의 선택적 영역을 층별로 융합하여 독특하고 복잡한 제품을 만듭니다. 레이저-분말층 융합(L-PBF)은 선택적 레이저 용융(SLM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 레이저 커싱 등 과학 및 문헌에서 다양한 이름으로 불립니다.[2]L-PBF는 "분산 매체에 의한 레이저 방사선의 흡수 및 반사, 열 및 물질 전달, 상 변환, 상 사이의 이동 계면, 기체 및 유체 역학, 화학 반응, 응고 및 증발, 수축, 변형 등 많은 하위 과정으로 구성되는 기술입니다."라고 설명합니다. [2]"
130개 이상의 입력 파라미터가 L-PBF 프로세스에 영향을 미칠 수 있습니다. 가장 중요한 영향 요인은 '기계 기반', '재료 기반', '공정 매개변수', '후처리 매개변수'입니다. 사실, 대조군 실험과 달리 L-PBF의 작은 변화는 출력에 직접적인 변화를 가져오지 않습니다. 일반적으로 작은 변화는 많은 상응하는 변화로 이어져 예측할 수 없는 결과를 초래할 수 있습니다. PBF는 종합적인 기술이 되기 위해서는 아직 더 많은 연구가 필요합니다. 그림 1 [1]은 L-PBF의 일반적인 프로세스를 보여줍니다.
그림 1: L-PBF 작업 프로세스 [3]
L-PBF의 주요 절차
롤러/코터는 전달 시스템에서분말(일반적으로 구형 티타늄 분말과같은 금속 또는 폴리머 구형 분말)을 가져와 베이스 플레이트에 균일하게 얇은 층을 펼칩니다. 그런 다음 스캐닝 시스템의 레이저 빔이 컴퓨터의 제어를 통해 베이스 플레이트의 파우더를 융합합니다. 얇은 층이 생성되면 빌드 플랫폼은 층의 거리만큼 아래로 이동하고 전달 시스템은 층의 거리만큼 위로 이동하여 반복되는 단계를 계속합니다. 마지막으로 파우더에서 제품을 꺼내고 제품에 묻은 파우더를 제거하는 후처리가 필요합니다. 이 모든 절차는 분말이 산소와 반응하지 않도록 보호하기 위해 보호 가스 분위기에서 이루어집니다.
L-PBF의 마이크로 뷰
레이저 빔이 분말을 융합할 때 표면 장력의 힘에 의해 두 개의 작은 입자가 녹아서 서로 융합합니다(이 경우에는 액상 소결만 논의합니다). "이 과정에서 점성 흐름이 주요 원동력입니다."[4] 사후는 이렇게 말합니다. 그리고 유착을 목 형성이라고 합니다. 전체 절차에 대한 자세한 설명은 그림 2에 나와 있습니다 [4].
그림 2: 합체 과정
처음에는 두 입자가 서로 접촉합니다. 온도가 상승하면 높은 표면 에너지로 인해 입자들이 녹기 시작하여 목 형성에 결합합니다. 이 과정을 표면 확산이라고 합니다. 표면 확산이 끝날 때까지 목의 길이는 계속 증가합니다. 이때 목 길이가 최대 값에 도달합니다. 입자 경계 확산은 기공을 구체화하기 위해 일어납니다. 마지막으로 수축이 전체 공정을 멈추고 소결이 완료됩니다.
레이저 빔 출력을 높이면 온도가 상승합니다. 또한 입자 경계 확산이 더 높은 온도에서 더 안정적이므로 전체 절차가 더 원활하게 진행될 수 있습니다. 결과적으로 통합 시간을 단축할 수 있습니다.
L-PBD 전달 및 증착 시스템
L-PBD 전달 시스템에는 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 저장소( 그림 1 참조)에 파우더를 저장하고 위아래로 움직이는 피스톤으로 지지하여 적층 제조용 파우더를 공급하는 방식입니다. 이 방식은 대부분의 상용 L-PBD 장비가 제품을 공급하는 방식입니다. 또 다른 방법은 저장소가 호퍼로 파우더를 공급하는 것입니다. 호퍼는 작업 평면 위에 위치하여 파우더를 공급합니다. 이는 전달 시스템과 증착 시스템의 조합입니다. [5]
전달 후 증착 시스템은 주로 레이저 빔이 융합될 수 있도록 얇고 균일한 파우더 층을 지원합니다. 대부분의 파우더 증착 시스템은 선형 왕복 운동을 사용합니다. 리코팅 시스템에는 소프트 블레이드 리코터(실리콘 또는 고무 블레이드), 하드 블레이드 리코터(경질 공구강), 롤러(경질 공구강) 등 다양한 유형이 있습니다.
소프트 블레이드 리코터는 부드럽고 유연하며 부품을 손상시키지 않습니다. 또한 섬세하고 쉽게 부러지거나 왜곡된 셀 구조를 만드는 데 유리합니다. 하지만 소프트 블레이드 리코터는 상대적으로 약하기 때문에 자주 교체해야 하는 경우가 많습니다.
하드 블레이드 리코터는 소프트 블레이드 리코터와 달리 제조 과정에서 금속의 변형을 허용하지 않습니다. 생산이 중단되고 결함이 있는 부품이 생산되지 않습니다. 따라서 시간과 비용을 모두 절약할 수 있습니다.
롤러는 3D 시스템에서 분말을 퍼뜨려 매우 평탄한 분말 층을 만들 수 있습니다. 롤러는 작동 방식을 고려하여 작은 작업 영역에서 더 작은 입자를 만드는 데 사용할 수 있습니다.
파우더 재료
L-PBF 공정에서 가장 필수적인 구성 요소 중 하나는 파우더 재료입니다. 이는 기계 설정의 추가 파라미터에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 분말 재료는 제품의 품질을 크게 좌우합니다.
L-PBF 시스템은 5~60μm의 금속 분말을 사용합니다. L-PBF에 가장 적합한 분말은 포장 밀도가 높고 유동성이 좋으며 기판까지 퍼질 수 있는 구형 분말입니다[5]. 예를 들어, 구형 니켈 분말, FeAlNiCrX 고엔트로피 합금 분말, 구형 코발트 기반 분말 등이 L-PBF 영역에서 사용되는 주요 구형 분말입니다.
참조:
- 야드로이체프, I., 야드로이타바, I., 플레시스, A. D., & 맥도널드, E. (2022). 2 - 레이저 파우더 베드 융합의 기초. 금속의 레이저 분말 베드 융합의 기초 (16 페이지). 에세이, 엘스비어.
- 야드로이체프, I., 야드로이타바, I., 플레시스, A. D., & 맥도날드, E. (2022). 2 - 레이저 파우더 베드 융합의 기초. 금속의 레이저 분말 베드 융합의 기초 (18 페이지). 에세이, 엘스비어.
- 야드로이체프, I., 야드로이타바, I., 플레시스, A. D., & 맥도날드, E. (2022). 2 - 레이저 파우더 베드 융합의 기초. 금속의 레이저 분말 베드 융합의 기초 (19 쪽). 에세이, 엘스비어.
- Sahoo, S. (2020). 레이저 적층 제조에서 금속 분말의 응집 거동. 금속 분말 보고서. https://doi.org/10.1016/j.mprp.2020.06.060
- Yadroitsev, I., Yadroitsava, I., Plessis, A. D., & MacDonald, E. (2022). 2 - 레이저 파우더 베드 융합의 기초. 금속의 레이저 분말 베드 융합의 기초 (26-30 쪽). 에세이, 엘스비어.
