적층 제조의 7가지 유형 이해

3D 프린팅이라고도 하는 적층 제조(AM)는 단일 재료 레이어를 추가하고 레이어를 함께 융합하여 CAD 생성 3D 모델을 통해 부품을 제작합니다. AM은 1987년에 처음 등장했으며 그 이후로 꾸준히 성장해 왔으며 최근 몇 년 동안 더 많은 도약을 했습니다. 회사가 새로운 AM 기술을 발명하고 도입함에 따라 핵심 기술이 유사함에도 불구하고 프로세스에 대한 고유한 마케팅 용어를 만드는 경향이 있습니다. 유사한 방법에 대해 다른 이름을 사용하면 시장에서 쉽게 혼동을 일으킬 수 있습니다. 포스트에서 우리는 핵심 기술과 그 장점과 단점을 식별할 것입니다.

ISO/ASTM 표준에 따라 AM은 레이어를 만드는 데 사용되는 기술을 7가지 범주로 나눕니다. 이 중 목록의 처음 4개는 금속에 적합합니다.

1. 바인더 분사
2. 방향성 에너지 증착
3. 파우더 베드 퓨전
4. 시트 라미네이션
5. 재료 압출
6. 재료 분사
7. Vat 광중합

1. 바인더 분사

재료의 융착 과정에서 열을 사용하지 않는다는 점에서 AM만의 특징입니다. 결합 액체 또는 바인더가 선택적으로 증착되어 분말 재료를 함께 결합하여 3D 부품을 형성합니다. 분말의 유형, 사용 중인 시스템 또는 고객 애플리케이션 요구 사항에 따라 바인더 종류 선택이 결정됩니다. 프로세스는 롤러를 사용하여 빌드 플랫폼 위에 분말 재료를 뿌리는 것으로 시작하고 프린트 헤드는 지정된 위치에 분말 위에 바인더를 증착합니다. 다음 레이어를 허용하기 위해 빌드 플랫폼이 낮아지고 항목이 완료될 때까지 프로세스가 반복됩니다. 결합되지 않은 가루가 제거됩니다.

바인더 분사의 장점

• 다양한 색상으로 부품을 만드는 능력
• 금속, 폴리머, 세라믹 등 다양한 재료 사용
• 빠른 AM 프로세스
• 부품이 뒤틀리거나 줄어들지 않음
• 사용하지 않은 분말을 재사용하여 낭비 감소
• 다양한 바인더-파우더 조합을 허용하는 2가지 재료 방식

바인더 분사의 단점

• 부품은 전체 프로세스에 상당한 시간을 추가하는 후처리가 필요합니다.
• 낮은 부품 강도, 구조 부품에 항상 적합하지 않음
• Material Jetting보다 정확도가 떨어짐

2. DED(Directed Energy Deposition)

DED 생성 레이저, 전자빔 또는 플라즈마 아크를 포함하여 집중된 열 에너지 소스에서 분말 기반 또는 와이어 기반 재료를 녹이고 증착하여 3D 개체를 만듭니다. 이 공정을 통해 금속, 세라믹 및 폴리머 부품을 만들 수 있지만 주로 금속 부품과 기판 베드를 움직여 복잡한 모양을 만들 수 있는 하이브리드 제조에 주로 사용됩니다. DED는 다른 에너지원 사용 및 최종 용도로 인해 레이저 금속 증착(LMD), 3D 레이저 클래딩 또는 직접 광 제작이라고도 합니다. 마지막으로, 공정의 작동 방식에 따라 필요한 곳에 재료를 추가하여 기존 부품을 수리하거나 재구성하는 데 주로 사용됩니다.

DED의 장점

• 강하고 조밀한 부분
• 빠른 빌드 속도
• 재료 낭비 감소
• 재료 선택 범위:금속, 세라믹 및 폴리머
• 재료를 쉽게 교체할 수 있습니다.
• 맞춤 합금으로 부품 제작 가능
• 그물에 가까운 형태로 제작된 부품
• 더 큰 부품 제작 능력

DED의 단점

• 시스템의 자본 비용이 높음
• 부품의 해상도가 낮아 표면 조도가 좋지 않아 2차 처리가 필요합니다.
• 빌드 프로세스 중에는 지원 구조를 사용할 수 없습니다.

3. 파우더 베드 퓨전(PBF)

PBF는 레이저 융합, 전자빔 융합, 에이전트 및 에너지 융합, 열 융합의 네 가지 범주의 에너지 소스가 있습니다. 에너지원은 플라스틱 또는 금속 분말 입자를 녹이고, 이는 고체를 형성하고 패턴으로 함께 융합하여 물체를 만듭니다. 파우더 베드 융합 공정은 두 개의 챔버, 즉 빌드 챔버와 파우더 챔버와 코팅 롤러를 사용합니다. 물체를 생성하기 위해 코팅 롤러는 분말 재료를 이동하고 빌드 챔버 전체에 퍼뜨려 얇은 분말 층을 증착합니다. 일부 PDF 프로세스는 코팅 롤러 후에 스크레이퍼, 블레이드 또는 레벨링 롤러를 사용하여 재료 상단 레이어의 두께가 균일하도록 합니다. 다음으로, 에너지원은 금속 분말 베이스의 증착된 최상층을 녹입니다. 해당 레이어가 스캔되고 융합되면 빌드 플랫폼이 점차 낮아지고 동시에 파우더 챔버도 같은 높이로 올라가며 개체가 완료될 때까지 프로세스가 반복됩니다.

PBF의 장점

• 저렴한 기계 비용
• 빌드에 필요한 지원 구조가 없거나 최소한임
• 다양한 소재 선택
• 여러 재료 사용 가능
• 분말 재활용 가능

PBF의 단점

• 느리고 긴 인쇄 시간
• 추가 후처리 시간
• 약한 구조적 특성
• 표면 질감 품질의 변화
• 뒤틀림 방지를 위해 제작판이 필요할 수 있음
• 프린트 프로세스의 속도에 따라 분말의 재활용 여부가 결정됩니다.
• 주로 폴리머 부품의 열 변형
• 기계는 부품을 만드는 데 많은 에너지를 사용합니다.

4. 시트 라미네이션

접합, 초음파 용접 또는 브레이징을 통해 얇은 재료 시트를 적층 및 적층하여 3D 물체를 만드는 AM. 물체의 최종 모양을 만들기 위해 레이저 절단 또는 CNC 가공이 사용됩니다. 모든 AM 기술 중에서 이 기술은 추가 해상도나 세부 사항이 가장 적은 부품을 생산하지만 쉽게 구할 수 있는 저비용 재료를 사용하여 빠른 프로토타이핑을 위해 저비용 및 더 빠른 제조 시간을 제공합니다.

시트 적층은 7가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

• 적층 물체 제조(LOM)
• 선택적 적층 복합 물체 제조(SLCOM)
• 플라스틱 시트 적층(PSL)
• Computer-Aided Manufacturing of Laminated Engineering Materials(CAM-LEM)
• 선택적 증착 적층(SDL)
• 복합 기반 적층 제조(CBAM)
• 초음파 적층 제조(UAM)

시트 라미네이션의 유형은 약간 다르지만 전체 원리는 동일합니다. 이 프로세스는 롤러에서 공급되거나 빌드 플랫폼에 배치되는 얇은 재료 시트로 시작됩니다. 다음 레이어는 프로세스에 따라 이전 시트에 접착되거나 접착되지 않을 수 있습니다. 전체 높이에 도달할 때까지 레이어링이 계속됩니다. 인쇄 블록과 원하지 않는 모든 외부 가장자리를 제거하면 개체가 완성됩니다.

시트 적층의 장점

• 비교적 저렴한 비용
• 더 큰 작업 공간
• 풀 컬러 인쇄
• 하이브리드 제조 시스템으로 통합
• 자재 취급 용이
• 여러 재료를 레이어링하는 기능
• 지지 구조가 필요하지 않음
• 일부 시트 적층
• 사용된 기술 유형에 따라 재료 상태가 변경되지 않습니다.
• 인쇄 시간이 더 빠르지만 후처리가 필요합니다.

시트 적층의 단점

• 시트 두께를 변경하지 않고는 레이어 높이를 변경할 수 없습니다.
• 마감재는 재료에 따라 다를 수 있으며 후처리가 필요할 수 있습니다.
• 제한된 재료 옵션 사용 가능
• 라미네이팅 단계 후 과도한 재료를 제거하는 것은 어렵고 시간이 많이 소요될 수 있습니다.
• 다른 AM 방식에 비해 더 많은 폐기물을 생성할 수 있음
• 일부 유형의 시트 라미네이션에서 중공 부품을 생산하기가 어렵습니다.
• 접합 강도는 사용된 라미네이팅 기술에 따라 다릅니다.

5. 재료 압출

일반 소비자 수요 및 품질에 대한 가용성 측면에서 가장 인기 있는 AM 공정은 열가소성 또는 복합 재료의 연속 필라멘트를 사용하여 3D 부품을 구성합니다. 플라스틱 필라멘트 형태의 재료는 압출 노즐을 통해 공급되어 가열된 다음 빌드 플랫폼에 레이어별로 증착됩니다.

재료 압출의 장점

• 다양한 인쇄 자료
• 쉽게 이해할 수 있는 인쇄 기술
• 사용자 친화적인 인쇄물 변경 방법
• 낮은 초기 및 운영 비용
• 작고 얇은 부품의 인쇄 시간 단축
• +/- 0.1(+/- 0.005″)의 인쇄 허용 오차
• 감독 불필요
• 소형 장비 크기
• 저온 공정

재료 압출의 단점

• 보이는 레이어 라인
• 연속적으로 움직이는 압출 헤드 또는 재료 충돌
• 지원이 필요할 수 있음
• Z축을 따라 약한 부품 강도
• 더 미세한 해상도와 더 넓은 영역으로 인쇄 시간 증가
• 뒤틀림 및 기타 온도 변동 문제에 취약함
• 유해한 인쇄물

6. 재료 분사

왁스 같은 재료의 방울이 빌드 플랫폼에 선택적으로 증착되는 프로세스입니다. 재료가 냉각되고 응고되어 재료 층이 서로 겹쳐질 수 있습니다. 빌드 후 지지 구조는 기계적으로 제거되거나 녹아 없어집니다.

재료 분사의 장점

• 재료 분사로 뛰어난 정확도와 표면 마감 처리
• 주물 패턴에 사용하기 좋은 부품

재료 분사의 단점

• 사용 가능한 왁스와 같은 재료의 수 제한
• 왁스 같은 재질로 인해 깨지기 쉬운 부품
• 느린 빌드 프로세스

7. Vat 광 중합

Vat에서 광중합체 액상 수지를 층별로 경화시켜 자외선(UV) 레이저를 사용하여 단단한 플라스틱 부품으로 바꾸는 공정입니다. 이 기술의 가장 일반적인 세 ​​가지 유형은 광조형, 디지털 광 처리(DLP) 및 연속 디지털 광 처리(CDLP)입니다.

Vat Photo 중합의 장점

• 높은 수준의 정확도와 우수한 마감
• 비교적 빠른 프로세스
• 대형 건축 면적

Vat 광중합의 단점

• 비교적 비싸다
• 후처리 시간이 오래 걸리고 수지에서 제거됨
• 포토 레진 소재에 한함
• 인쇄 후에도 자외선의 영향을 받을 수 있음
• 구조용으로 사용할 수 있을 만큼 충분히 강한 부품을 위한 지지 구조 및 사후 경화가 필요할 수 있음

결론

적층 제조 기계가 기계 공장에서 보다 저렴해짐에 따라 설계 및 재료 특성의 유연성으로 인해 광범위한 실제 적용 및 용도를 제공할 수 있게 되었습니다. 항공우주, 자동차 및 의료 산업은 모두 적층 제조의 이점을 보고 있습니다. 빠른 시제품 제작, 소량 생산 및 부품 수리 능력은 이러한 유형의 제조가 성장한 이유 중 일부입니다.