3D 인쇄 기술 이해

디자인 프로토타입에서 의수 부품에 이르기까지 3D 프린팅은 제조 분야에서 새로운 가능성을 창출하고 있습니다. 3D 프린팅 기계는 현재 모래 주조에서 티타늄 치과 임플란트 및 터빈 블레이드에 이르기까지 모든 것을 생산합니다. 위 사진의 오리인 Buttercup은 발이 심하게 변형되어 걸을 수 없는 상태로 태어났습니다. 맞춤형 3D 인쇄 의수 덕분에 Buttercup은 이제 정상적으로 걸을 수 있습니다.

3D 프린팅 또는 공식적으로 '적층 제조'라고 불리는 3D 프린팅을 자세히 살펴보기 전에 기존의 또는 '감산 제조'라고도 불리는 기존 방식을 살펴보겠습니다. 플라스틱 절단에 관한 한 이러한 유형의 재래식 제조는 Craftech가 할 수 있는 장비를 잘 갖추고 있습니다. 절삭 가공에서는 플라스틱 시트나 막대를 깎아 완성된 패스너를 만듭니다.

철과 같은 금속을 절단하는 것은 더 큰 도전입니다. 강철을 절단할 때 패스너는 일반적으로 초경 엔드밀로 모양을 절단하는 CNC 밀에서 시간을 보냅니다. 엄격한 공차를 유지하려면 기계가 더 단단해야 합니다. 예를 들어, 산업 표준에 따라 작은 공장인 당사 공장 중 하나의 무게는 약 26,000파운드입니다. 그것은 35 마력 모터를 사용하고 단단한 상자 길을 가지고 있습니다. 기계가 파이팅 트림에 있을 때 1/1000인치를 쉽게 유지할 수 있습니다. 스핀들과 볼 나사가 일정한 온도로 냉각되고 고압 냉각수가 스핀들을 통과하여 건 드릴링과 같은 작업을 수행할 수 있기 때문에 10분의 1을 유지하는 것도 문제가 되지 않습니다. 그런 공장을 오늘날 구입한다면 대략 $350,000-$400,000가 들 것입니다. 작업 범위는 약 20"x40"x26" 높이입니다. 이 짐승 중 하나를 프로그래밍하고 실행하는 사람은 항상 같은 질문을 합니다. 왜 기계가 단순히 금속 층을 완성된 부품에 눕히거나 융합할 수 없습니까? 훨씬 간단하지 않을까요? 바로 여기에서 3D 프린팅이 등장합니다.

3D 프린팅 프로젝트에 접근할 때 먼저 Solidworks 또는 Inventor와 같은 3D 모델링 프로그램에 액세스해야 합니다. Sieman의 NX 또는 Pro-E와 같은 더 비싼 프로그램뿐만 아니라 이러한 프로그램으로 만든 견고한 모델은 STL(stereolithography) 형식으로 출력됩니다. '스테레오리소그래피'라는 용어는 1984년 현대 3D 프린팅의 언어를 발명한 Charles W. Hull에 의해 특허를 받았습니다. 이 용어는 "형성하고자 하는 물체의 단면 패턴을 생성하여 3차원 물체를 생성하는 시스템"으로 정의됩니다.

3D 프린팅의 원래 목표는 매우 작은 물체를 엄청난 정확도로 만들 수 있는 것이었습니다. 이 과정을 미세 가공이라고 합니다. 어떤 면에서 3d 프린팅은 밀과 EDM 기계에 사용되는 CNC 포지셔닝 시스템과 주로 반도체 그룹의 기술을 결합한 결과입니다. 3D 기능을 생성하기 위해. 이 초기 3D 프린팅 기술은 본질적으로 리소그래피였습니다.

LIGA 공정과 같은 다양한 공정이 실제 3D 구조를 매우 정확하게 구축할 수 있기까지는 그리 오랜 시간이 걸리지 않았습니다. 예를 들어, 70 um 높이의 벌집 구조는 8 um 두께의 세포벽으로 만들어졌습니다. 완전한 기능을 갖춘 펌프, 잠금 장치 등과 같은 다른 품목도 이러한 방식으로 제작되었습니다.

이러한 기술이 개발되면 더 큰 품목을 생산할 수 있는 단계가 설정되었습니다. 이제 매크로 인쇄 또는 약간의 질량을 가진 가시적인 물체의 3D 인쇄를 위해 개발된 상위 3가지 기술을 살펴보겠습니다.

1) 융합 증착 모델링(FDM)

이 방법은 실제로 ABS 또는 기타 플라스틱 모델을 만드는 데 일반적으로 사용되는 압출 유형입니다. 공정 금속 및 식용 물질에도 사용할 수 있습니다. FDM을 사용하는 기계는 비교적 저렴할 수 있습니다. 정확도가 중요한 요소가 아닌 사람들을 위한 DIY 키트도 있습니다. 여러분 중 일부는 일반적인 FDM 머신인 MakerBot에 익숙할 것입니다.

2) 직접 금속 레이저 소결(DMLS)

거의 모든 금속 합금을 사용하여 이 3D 프린팅 기술로 모델을 만들 수 있습니다. Post-Build 문제는 빔에 의한 소결에 의존하는 이러한 추가 방법 중 일부의 효율성을 무디게 합니다. 즉, 모델의 입자가 사용되는 실제 금속에 최소한 합리적으로 근접한 강도로 접착되도록 제작 후 경화가 필요하다는 것입니다. 이것은 또한 더 많은 빌드 후 시간을 의미합니다. 불완전한 결합 및/또는 치수를 보완하기 위해 일부 제조업체는 추가 및 감산 기술을 결합하여 완성된 부품을 생산하는 장치를 생산하지 않습니다. 법랑질로 덮인 금속 치아 또는 부분 플레이트와 같이 허용오차가 높은 부품을 만들고 싶다고 가정해 보겠습니다. 금속 항목이 먼저 형성됩니다. 그런 다음 물리적으로 이동할 필요 없이 모든 정확도 손실과 함께 항목이 단순히 빼기(밀링) 장치로 넘어갑니다. 여기서 마지막 몇 천분의 1이 제거되고 연마 또는 기타 기계적 마무리가 완료됩니다. 분명히 이것은 두 가지 기술의 일시적이고 어색한 융합입니다. 결국 적층 제조 셀은 각 층을 원자 단위로 배치하여 모든 종류의 마무리 작업이 필요 없게 됩니다.

3) 선택적 레이저 소결(SLS)

이 프로세스도 1980년대 중반에 개발되었습니다. 금속과 플라스틱을 소결할 수 있습니다. 반면에 선택적 레이저 용융(SLM)은 소결에 의존하지 않습니다. 오히려 충분히 높은 온도에서 재료를 녹여서 이 과정을 통해 완전히 형성되고 조밀하고 강한 물체가 형성됩니다. 그런 다음 EBM 또는 전자빔 용융이 있습니다. 이 공정은 고진공에서 수행되며 주로 완전히 조밀하고 강한 티타늄 부품을 형성하는 데 사용됩니다. 전자빔을 사용하여 가는 와이어를 녹여서 금속 층을 층층이 쌓습니다. 또한 가장 정확한 프로세스 중 하나입니다. 그러나 작은 금형 캐비티와 코어도 생산할 수 있을 만큼 크고 강력한 하나를 구입하면 구매자가 $500,000 이상을 되돌릴 수 있습니다. 오늘날 훨씬 더 유비쿼터스한 것은 소형 데스크탑 3D 압출형 프린터입니다.

3D 스캐너는 3D 모델링 및 인쇄에 없어서는 안될 보조 장치이기도 합니다. 일종의 카메라와 디지타이저가 하나로 결합된 것처럼 물체를 정확하게 스캔하여 즉시 모델로 변환할 수 있습니다. 한때 물체의 측정값을 정확하게 스캔하는 유일한 방법은 좌표 측정기(CMM)를 사용하는 것이었습니다. 불과 10년 전만 해도 이 기계의 가격은 10만 달러가 훨씬 넘었습니다. 필요한 정확도가 10분의 1(0.0001” 또는 약 ¼ 미크론) 이내인 도구 제작점 및 기타 장소에서 여전히 그 자리를 차지하고 있지만, 이 새롭고 비교적 저렴한 3D 스캐너로 많은 모델을 스캔할 수 있습니다. 의심의 여지 없이 누군가 온라인에서 구매하는 스웨터가 맞는지 여부를 잠재 구매자에게 알려주는 스캐너를 개발하고 있습니다! 어쨌든 적층 제조 및 3D 스캐닝 분야는 현재 무한한 가능성을 보여주는 분야입니다.

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