직접 에너지 처리 - 3D 프린팅 방법

직접 에너지 방출(DED)은 적층 제조 방법 중 하나입니다. 적층 제조(AM)는 다소 생소하게 느껴질 수 있습니다. 3D 프린팅, 래피드 프로토타이핑(RP), 적층 제조 등으로도 불립니다. 적층 제조의 주요 핵심은 3D 모델 데이터를 사용하여 재료를 레이어별로 결합하는 것입니다. 도구나 사전 제작 금형이 필요 없는 적층 제조는 기존 제조 기술을 대체하며 오늘날 가장 인기 있는 생산 방법 중 하나가 되었습니다. 적층 제조는 플라스틱, 금속, 세라믹, 복합 재료, 생물학적 재료 등 다양한 재료를 증착 재료로 사용할 수 있기 때문에[1] 많은 산업에서 이 기술을 사용하기 시작했거나 이미 사용하고 있습니다. 적층 제조는 복잡하고 구체적인 디자인을 만들 수 있는 가능성을 제공합니다.

적층 제조에는 바인더 분사, 파우더 베드 융합, 시트 라미네이션, 직접 에너지 증착(DED) 등 네 가지 방법이 있습니다. 제목에서 알 수 있듯이 이 글에서는 직접 에너지 증착에 초점을 맞출 것입니다.

직접 에너지 증착이란 무엇인가요?

직접 에너지 증착은 레이저/전기 빔 등에서 제공하는 열 에너지를 사용하여 재료를 녹이고 새로운 재료와 증착을 융합하는 방식입니다. 클래딩과 용접 기술이 결합된 방식입니다. DED는 다른 4 AM 방식과 마찬가지로 분말을 사용할 뿐만 아니라 와이어를 공급 원료로 사용합니다. 공급 원료의 종류에 따라 DED는 분말 공급형과 와이어 공급형으로 나눌 수 있습니다. 분말 공급형 DED는 레이저를 열로 사용하여 분말과 이전 층을 녹입니다. 와이어 공급형 DED는 레이저, 전자빔 또는 플라즈마 아크를 열원으로 사용할 수 있습니다. 아래 그림 1과 그림 2를 통해 이 두 가지 DED 기술에 대해 간략하게 이해할 수 있습니다.

그림 1: 분말 공급형 DED: (a) 동축 공급, (b) 축외 공급 [1] [1]

그림 2: 와이어 공급 유형 DED: (a) 동축 공급, (b) 축외 공급 [1]

공급 위치에 따라 DED는 동축 공급과 축외 공급으로 나눌 수 있습니다. 차폐 가스 또는 보호 가스는 재료, 특히 활성 금속이 고온으로 인해 산화되지 않도록 보호하는 데 사용됩니다.

주요 작동 원리는 다음과 같습니다:

*노즐이 기판에 공급원료(분말 또는 와이어)를 제공합니다.

*열원(예: 레이저)이 특정 영역을 녹이고 재료를 융합하여 층을 형성합니다.

노즐과 레이저 빔은 컴퓨터로 제어되는 동일한 동작을 다시 수행하기 위해 다른 영역으로 계속 이동합니다. 직접 에너지 증착은 선 단위 원리를 사용하며 수평이 아닌 평면 아래에서 작업할 수 있습니다.

파우더 피딩과 와이어 피딩 타입 DED의 차이점

와이어 공급식 DED는 분말 공급식 DED보다 증착 속도가 빠르고 층이 더 두껍습니다. 그러나 분말 공급식 DED는 더 정확하고(정교하며) 잔류 응력이 적습니다. 이러한 차이점 때문에 다양한 애플리케이션에서 자주 사용됩니다.

분말 공급형 DED는 복원, 다공성 코팅, 맞춤형 재료, 맞춤형 구조 및 열 관리에 자주 사용됩니다[1]. 파우더 베드 퓨전이나 바인더 분사 방식과 달리 DED는 수평이 아닌 작업 평면 아래에서 작업할 수 있기 때문에 수복에 사용할 수 있습니다.

와이어 피딩 방식의 DED는 윙 스파와 같은 대형 입자를 제작하는 데 자주 사용됩니다.

직접 에너지 증착 복원의 적용

직접 에너지 증착은 특히 부품을 완전히 교체하는 데 많은 시간과 비용이 소요되는 재제조 및 복원 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 예를 들어, 최신 터빈 엔진의 일체형 블레이드 로터의 일부가 손상된 경우 수리하는 것보다 새 블레이드로 교체하는 것이 경제성이 떨어집니다. 이를 위해 일반적인 기술을 사용하는 것은 쉽지 않습니다. 그러나 DED는 상대적으로 낮은 열 입력, 작은 왜곡, 우수한 야금 조합 및 정확한 적합성으로 이 문제를 해결할 수 있습니다.

분말형 DED는 복원에서 와이어형 DED보다 더 나은 성능을 보여줍니다. 그러나 다공성, 불순물 또는 기타 이유로 인해 원래 부품과 동일한 피로 특성, 항복 응력 및 연성을 복원할 수는 없습니다.

DED 기술이 계속 발전함에 따라 이 공정을 사용하여 생산할 수 있는 부품의 크기와 복잡성도 증가할 가능성이 높습니다. 이는 제조업체와 복원 기관에 새로운 가능성을 열어줄 것이며, 완전히 새로운 제품과 산업의 발전으로 이어질 수 있습니다.

요약

직접 에너지 증착은 부품을 제작하고 수리하는 방식을 혁신할 수 있는 잠재력을 지닌 매우 정밀하고 정확한 중독성 있는 제조 공정입니다. 현재는 소형 부품 생산에 국한되어 있지만, 지속적인 기술 개발로 향후에는 그 기능이 확장될 가능성이 높습니다. DED를 수행하는 데 필요한 장비의 높은 비용이 일부 조직에서는 도입에 걸림돌이 될 수 있지만, 이 프로세스의 장점으로 인해 다양한 애플리케이션에서 점점 더 많이 채택되고 있습니다.

참조

1. Ahn, DG. 지향성 에너지 증착(DED) 공정: 최첨단 기술 Int. J. of Precis. 8, 703-742 (2021). https://doi.org/10.1007/s40684-020-00302-7