금속 3D 프린팅은 지난 몇 년 동안 인상적인 발전을 이루었고 기업들은 고도로 복잡한 산업 응용 분야를 위한 기술에 점점 더 많은 투자를 하고 있습니다. 그러나 가볍고 정교한 금속 부품을 생산할 수 있다는 장점과 함께 금속 3D 프린팅 공정에서 극복해야 하는 많은 과제도 있습니다. 오늘의 튜토리얼에서는 금속을 3D 프린팅할 때 직면하는 주요 문제와 이를 해결할 수 있는 방법에 대해 알아볼 것입니다.
금속 3D 프린팅의 경우 다양한 프린팅 프로세스가 있습니다. 이들은 크게 세 그룹으로 나눌 수 있습니다.
<울>파우더 베드 퓨전 AM을 사용하여 금속 부품을 생산하는 가장 일반적인 방법이며, 빌드 플랫폼에 고르게 분포된 분말 재료 층을 선택적으로 녹이기 위해 레이저 빔(SLM) 또는 전자 빔(EBM)을 사용합니다.
직접 에너지 증착 다양한 기술을 다루며 일반적으로 재료가 빌드 플랫폼에 증착되기 전에 레이저나 전자빔에 의해 녹는 프로세스를 포함합니다. 그런 다음 개체가 레이어별로 형성됩니다. 폴리머와 세라믹을 이 공정에 사용할 수 있지만 DED는 일반적으로 분말 또는 와이어 형태의 금속에 사용됩니다.
금속 바인더 분사 프린트 헤드를 사용하여 분말 층에 액체 결합제를 적용하여 분말 입자를 층별로 융합합니다. 결합된 분말은 선택적으로 다른 금속(보통 청동)으로 침투되어 더 높은 밀도를 얻을 수 있습니다.
각 프로세스에는 장점과 한계가 있지만 금속 3D 프린팅 시 일반적으로 발생하는 일반적인 문제가 있습니다. 이러한 문제는 금속 3D 프린팅 부품에 대해 가능한 최고의 기계적 특성을 달성하기 위한 것이어야 합니다.
3D 프린팅된 금속 부품은 종종 높은 다공성으로 어려움을 겪습니다. 이는 부품 내에 작은 구멍과 공동이 형성되면서 프린팅 공정 중에 발생합니다. 일반적으로 미세한 이 작은 기공은 밀도를 낮출 수 있습니다. 기공이 많을수록 부품의 밀도가 낮아집니다. 또한 부품의 기계적 특성에 직접적인 영향을 주어 특히 높은 하중에 노출될 때 균열이나 기타 손상이 발생하기 쉽습니다.
다공성이 높은 3D 프린팅 금속 부품에는 일반적으로 두 가지 주요 이유가 있습니다. 하나는 분말 생산 기술의 문제이거나 3D 프린팅 프로세스 자체 때문입니다. 예를 들어, 가스 분무를 사용하면 때때로 분말 재료에 기공이 형성될 수 있습니다. 그러나 이러한 작은 구멍의 더 일반적인 원인은 에너지가 충분하지 않아 금속을 제대로 녹일 수 없는 인쇄 공정입니다. 반대의 경우에도 적용할 수 있습니다. 과도한 레이저 에너지는 용융된 재료의 방울이 튀게 하여 기공을 생성할 수 있습니다.
금속 부품의 다공성을 줄이는 방법
다행히 3D 인쇄 금속 부품의 다공성을 제거하고 더 강하고 내구성 있는 부품을 얻을 수 있는 여러 가지 방법이 있습니다.
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금속 3D 프린팅 부품의 산업적 적용은 높은 기계적 특성을 요구하는 경우가 많기 때문에 부품의 밀도가 매우 중요합니다. 부품이 주기적 응력 조건에서 작동할 때 부품의 밀도에 따라 부품이 하중을 받을 때 고장이 날지 여부가 결정됩니다. 즉, 부품의 밀도가 낮을수록 압력을 받아 균열이 생길 가능성이 높아집니다. 파우더 베드 기술(SLM, EBM)은 98% 이상의 밀도를 가진 부품을 생산할 수 있으며 이는 스트레스가 많은 응용 분야에 매우 중요합니다.
부품 밀도 개선
부품이 일관된 품질과 밀도를 갖도록 하려면 입자 크기, 모양, 분포 및 유동성과 같은 재료의 특정 매개변수를 최적화해야 합니다. 예를 들어 구형 입자는 다른 모양에 비해 최대 상대 밀도를 얻을 수 있으므로 밀도를 높일 수 있습니다.
그러나 부품의 밀도에 영향을 줄 수 있는 다양한 변수가 있으므로 일반적으로 먼저 금속 분말의 품질을 고려하고 그에 따라 공정 매개변수를 조정하는 것이 일반적입니다.
가열 및 후속 냉각은 금속 AM 공정의 공통 기능입니다. 그러나 부품이 극도의 열 변화를 받는 경우 잔류 응력이 발생할 수 있습니다. 잔류 응력은 제조된 부품의 무결성에 좋지 않은 영향을 미치므로 다양한 형태의 변형이 발생합니다. 잔류응력이 가장 많이 집중된 곳은 인쇄된 부품의 바닥과 인쇄 베드 사이의 접촉 영역입니다.
잔류 응력 감소
잔류 응력은 성공적인 금속 인쇄와 구조적 결함을 구별할 수 있으므로 이 문제를 적절하게 해결해야 하며 여러 가지 방법으로 해결할 수 있습니다.
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잔류 응력은 매우 파괴적일 수 있어 부품에 여러 구조적 문제를 일으킬 수 있으며, 그 중 균열 및 뒤틀림이 가장 자주 발생합니다. 이러한 문제는 일반적으로 인쇄 후 용융된 금속이 식을 때 발생합니다. 냉각하면 수축이 발생하여 부품의 가장자리가 휘고 변형됩니다. 극단적인 경우 응력이 부품의 강도를 초과하여 부품에 균열이 생길 수 있습니다(분말 재료가 제대로 녹지 않은 경우에도 균열이 발생할 수 있음).
균열 및 뒤틀림 방지
금속 부품의 균열 및 뒤틀림을 방지하는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 한 가지 옵션은 프린트 베드를 예열하는 것이고 다른 옵션은 프린트 베드에 대한 부품의 접착력을 개선하고 필요한 양의 지지 구조를 배치하는 것입니다. 열처리 후 처리는 사소한 균열을 수리하는 데도 도움이 되며 부품에 정확한 수의 지지 구조를 설정하는 것은 본질적으로 뒤틀림을 방지하는 것입니다.
일반적으로 금속 부품은 처음 인쇄될 때 최종 적용을 위한 준비가 되지 않았으며 분말 및 지지대 제거, 열처리 및 표면 마감과 같은 일부 형태의 후처리를 거쳐야 합니다. 하지만 종종 사후 처리 단계에서 몇 가지 문제에 직면하게 됩니다.
예를 들어 부품의 지지 구조를 제거하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 예를 들어, 금속 부품에 작은 구멍과 튜브에 지지대가 있는 경우 이러한 현상이 발생할 수 있습니다. 이는 부품을 손상시키지 않고 제거하기 어려울 수 있으며 후속 가공이 필요합니다.
표면 거칠기는 또 다른 문제입니다. 고급 응용 제품을 위해 추가로 제조된 구성 요소는 평균 표면 거칠기가 필요하지만 3D 인쇄 부품은 종종 거친 표면으로 생산되며 더 나은 마무리를 얻기 위해 기계 가공, 연삭 또는 연마와 같은 추가 후처리가 필요합니다. 표면 거칠기는 레이어 두께와 직접적인 관련이 있으므로 더 얇은 레이어로 인쇄하여 완화할 수 있습니다. 그러나 이렇게 미세한 레이어를 사용하여 부품을 생산하면 제작 시간이 크게 늘어날 수 있습니다.
거친 표면은 부적절한 분말 용융으로 인해 발생할 수도 있습니다. 이것은 금속을 완전히 녹일 만큼 충분한 에너지가 가해지지 않았을 때 발생합니다. 이 경우 레이저 출력을 높여 표면 거칠기를 줄일 수 있습니다.
AM을 사용하여 금속 부품을 생산할 때 여러 가지 잠재적인 문제가 있지만 이러한 문제를 이해하는 것이 고품질의 안정적인 구성 요소를 생산하는 첫 번째 단계입니다. 그리고 금속 3D 프린팅의 지속적인 성장으로 산업용 애플리케이션에 사용되는 적층 제조 금속 부품의 사용이 확실히 증가할 것입니다.
3D 프린팅
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