산업용 3D 인쇄를 위한 후처리:자동화를 향한 길

오랫동안 후가공은 3D 프린팅의 '작은 비밀'로 불려왔습니다. 적층 제조 공정의 처음 두 단계(설계 및 생산)에 너무 많은 초점을 맞추다 보니 후처리 단계가 종종 눈에 띄지 않게 되었습니다.

적층 제조는 특히 인더스트리 4.0의 맥락에서 특히 인더스트리 4.0의 맥락에서 디지털, 자동화된 프로세스의 수용으로 종종 찬사를 받지만, 거의 아이러니하게도 후처리 단계는 압도적으로 수동으로 남아 있습니다. 이는 AM을 도입하려는 회사에 중요한 의미가 있습니다. 사후 처리는 전체 생산 프로세스에 시간과 비용을 추가하는 불가피한 단계입니다. 운영을 확장하고 확장하려는 회사의 경우 이는 종종 다소 실망스러운 병목 현상입니다.

최근 독일 엔지니어링 연맹(VDMA)의 적층 제조 협회(Additive Manufacturing Association)는 적층 제조 로드맵을 개발하면서 후처리를 다음과 같이 식별했습니다. 시리즈 생산을 가능하게 하기 위해 개발이 가장 필요한 단계입니다.

그러나 2018년에는 3D 프린트를 위한 후처리에 대한 관심이 높아져 이 단계를 자동화하려는 기업이 증가했습니다. 업계가 점차 생산으로 이동함에 따라 확장 가능한 후처리 단계를 개발하는 것이 이러한 전환의 핵심 요소가 될 것이며, 이 단계도 반복 가능하고 확장 가능하며 자동화된 솔루션을 가능하게 하기 위해 진화해야 합니다.

오늘의 기사에서는 AM의 후처리를 둘러싼 과제와 최근 개발 사항을 살펴보겠습니다. 그러나 먼저 AM 사용자가 처리하는 일반적인 후처리 작업을 자세히 살펴보겠습니다.

3D 프린팅을 위한 후처리:개요

3D 프린팅의 현실은 거의 모든 3D 프린팅 부품이 부품의 기계적 특성, 정확성 및 미학을 개선하기 위해 일종의 후처리가 필요하다는 것입니다. 후처리의 범위와 유형을 결정하는 것은 무엇보다도 사용된 재료와 기술에 따라 크게 달라집니다.

제거 지원

지지대 제거는 일반적으로 지지대를 사용하여 생산된 3D 인쇄 부품의 첫 번째 후처리 단계입니다. 이들은 손으로 제거하거나 FDM 부품의 경우 예를 들어 부품을 용매에 넣어 제거할 수 있습니다.

예를 들어 빌드 플레이트에서 분리할 때 FDM 부품은 먼저 지지대를 제거해야 하지만 SLA 부품은 지지대를 제거하기 전에 먼저 과도한 수지 재료를 청소해야 합니다.

가루 제거

Binder Jetting 및 SLS와 같이 분말 형태의 재료를 사용하는 3D 프린팅 기술을 사용하면 사용하지 않은 분말을 먼저 제거하는 것으로 후처리 단계가 시작됩니다. 그 다음에는 표면 마무리 작업(SLS) 또는 초접착제로 침투(바인더 분사)가 수행됩니다.

금속 부품

금속 3D 프린팅의 경우 후처리 단계가 훨씬 더 복잡합니다. 인쇄된 금속 부품은 먼저 분말을 제거해야 합니다. 일반적으로 수작업으로 수행되는 프로세스입니다. 분말이 제거되면 와이어 EDM 또는 띠톱을 사용하여 부품을 빌드 플레이트에서 잘라야 합니다.

또한 금속 부품의 경우 잔류 응력을 줄이고 부품의 기계적 특성을 향상시키기 위해 응력 완화 및 열처리 공정이 필요합니다. 그 후 부품을 가공하여 지지 구조를 제거하고 치수 정확도를 보장합니다.

검사

테스트 및 검사는 3D 인쇄 부품, 특히 금속의 또 다른 중요한 후처리 단계입니다. 현재 적층 제조 부품에 대한 검사는 대부분 단조 및 주조 부품과 유사한 프로세스이며 시각적, 치수, 외부 및 내부 테스트를 포함합니다.

그러나 많은 3D 프린팅이 있기 때문에 약간의 차이점도 있습니다. 부품이 통합되고 재설계되었습니다. 비파괴 검사를 가능하게 하기 위해 기업은 내부 형상을 평가하고 부품 내부에 숨겨진 결함이 없는지 확인하기 위해 CT 스캔을 점점 더 많이 선택하고 있습니다.

3D 프린팅된 부품은 기하학적 정확성과 미학을 향상시키기 위해 표면 처리를 거칠 수도 있습니다. 이러한 2차 후처리 단계에는 플라스틱 부품의 샌딩, 충전 및 페인팅과 금속 부품의 기계 가공이 포함됩니다. 이 모든 작업은 일반적으로 수동 프로세스입니다.

플라스틱 후처리

후처리 방법 청소/
분말 제거 지원 제거 후경화 침투 표면 마무리
(샌딩, 폴리싱, 페인팅) FDM-+--+ SLA/DLP+++-+ SLS+---+ 재료 분사-+--- 바인더 분사+--+-

금속 후처리

후처리 방법 분말 제거 스트레스 완화 부품 제거 탈착, 침투, 소결 가공 표면 마무리 파우더 베드 퓨전(SLA, DMLS, EBM)+++-++ 금속 바인더 분사++-+++(옵션)+(옵션) DED-++-++

후처리 병목 현상

대부분의 후처리 작업은 여전히 ​​많은 수작업으로 이루어지며 숙련된 작업자가 핵심 작업을 수행해야 합니다. 그러나 수동 방법을 사용하여 사후 처리 단계를 관리하면 리드 타임과 생산 비용이 크게 증가할 수 있습니다. 따라서 후처리가 종종 AM 운영을 확장하려는 기업의 주요 병목으로 간주되는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

병목 현상 #1:더 긴 리드 타임

긴 리드 타임은 많은 기업이 처음부터 준비하지 못한 측면 중 하나입니다. 한 통계에 따르면 사후 처리 단계가 전체 프로세스 시간을 17%에서 100%까지 늘릴 수 있다고 합니다.

또한 후처리 작업은 백로그를 기반으로 수행되는 경우가 많기 때문에 3D 인쇄 부품의 리드 타임도 증가할 수 있습니다. 후처리 단계에 들어가는 부품은 노동력이나 장비에 대한 접근성 부족으로 인해 대기열에 있는 경우가 많습니다.

병목 현상 #2:추가 비용

노동력에서 후처리 장비에 이르기까지 후처리는 전체 생산 예산에 포함되어야 하는 추가 비용을 추가합니다.

노무 투입을 최소화하면 인건비를 크게 절감하는 동시에 3D 프린터를 추가하거나 후처리 직원을 다른 작업에 재배치하여 생산을 확장할 수 있는 기회를 제공할 수 있습니다.

금속 3D 사용 인쇄 비용이 훨씬 더 많이 드는 경향이 있습니다. 빌드 플레이트에서 부품을 제거하든, 열처리 또는 검사를 하든 비용이 쉽게 추가될 수 있습니다. 예를 들어, 와이어 EDM을 사용하여 빌드 플레이트에서 부품을 제거하는 경우 아웃소싱 시 플레이트당 최대 300달러의 비용이 들 수 있으며 부품의 수와 크기에 따라 완료하는 데 몇 시간이 걸릴 수 있습니다.

응력 완화 및 열처리 또한 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들 수 있으므로 사내에서 사용하기 위해 값비싼 후처리 장비를 구입하거나 작업을 아웃소싱해야 합니다. 비용은 부품당 수백 달러에 쉽게 들 수 있습니다. .

병목 #3:기술 격차

고품질 후처리를 달성하기 위해 기업은 자격을 갖춘 기술자가 필요하지만 종종 이를 찾는 데 어려움을 겪습니다. 이러한 문제는 후처리 중에 생성된 폐기물의 올바른 처리와 같은 안전 문제로 인해 더욱 복잡해집니다.

주요 개발 사항

더 많은 기업이 생산을 위해 적층 제조를 채택함에 따라 규모에 대한 모든 단계에서 자동화의 필요성이 점점 더 심각해지고 있습니다.

이러한 맥락에서 여러 회사는 이미 후처리 단계에서 병목 현상을 해결하기 위한 스마트 솔루션을 개발하기 시작했습니다.

가루 제거 및 청소

금속 분말 베드 융합 공정의 경우 금속 부품의 분말 제거 및 세척은 후처리 단계의 핵심 단계입니다. 이는 주입 노즐 또는 사출 금형용 냉각 채널과 같이 매우 복잡하거나 복잡한 부품의 경우 특히 어려울 수 있습니다.

독일 회사 Solukon 은(는) 자동화된 분말 제거 프로세스를 특징으로 하는 시스템을 개발했습니다. 제어된 진동 및 프로그래밍 가능한 축 회전의 도움으로 SFM-AT800S는 금속 부품에서 소결되지 않은 금속 분말을 완전히 청소할 수 있으며 이미 Siemens에서 사용하고 있습니다.

메탈 AM 시스템 제조업체 디지털 메탈 스마트 후처리의 미래를 꿈꾸는 또 다른 회사로 컴퓨터로 제어되는 탈가루 기계를 개발했습니다. 픽 앤 플레이스 로봇과 함께 시스템은 소결되지 않은 분말을 자동으로 제거하고 탈바인딩 및 소결을 위해 녹색 부품을 보내 주요 공정 단계를 자동화하도록 설계되었습니다.

플라스틱 부품의 경우 DyeMansion은 Powershot을 제공합니다. C 시스템, 2개의 분사 노즐과 회전 바스켓이 장착되어 폴리머 부품의 세척 및 분말 제거를 재현할 수 있습니다.

제거 지원

지지 구조는 오랫동안 3D 프린팅에서 필요악으로 간주되어 프린팅 프로세스와 후처리 모두에 추가 시간과 비용을 추가합니다.

최근 인터뷰에서 PostProcess Technologies의 CEO인 Jeff Mize는 "오늘날에도 적층 부품에서 지지대를 제거할 때 여전히 많은 수작업이 필요합니다."라고 말했습니다.

후처리 기술 표면 마감 솔루션을 제공하는 것 외에도 3D 인쇄 부품의 지지물 제거 단계를 자동화하는 것을 목표로 합니다. 이 회사는 이미 FDM, SLA, PolyJet 및 CLIP 기술로 적층 제조된 부품을 위한 다양한 자동화된 핸즈프리 서포트 제거 솔루션을 제공하고 있습니다.

금속 부품의 지지 제거와 관련하여 몇 가지 흥미로운 발전이 있습니다. 한 가지 예는 미국 회사 Velo3D입니다. 다른 파우더 베드 금속 시스템에 비해 최대 5배 적은 지원으로 인쇄할 수 있는 파우더 베드 금속 3D 프린터를 개발했습니다.

지원 제거를 용이하게 하는 또 다른 서비스는 Materialise에서 제공됩니다. . e-Stage for Metal 소프트웨어는 금속 부품을 위한 지지 구조를 자동으로 생성합니다. 생성된 지지체는 얇고 제거하기 쉬우며 금속 지지체 제거에 소요되는 시간을 50%까지 줄일 수 있다고 합니다.

표면 마무리

매끄럽고 완성된 모양을 얻는 것은 프로토타입과 최종 부품 모두에 중요한 요구 사항입니다. 그러나 이 단계를 수동으로 완료하면 속도와 일관성 면에서 매우 비효율적일 수 있습니다. 따라서 표면 마무리 자동화는 AM의 디지털 제조 체인의 격차를 해소하는 또 다른 중요한 단계입니다.

적층 제조 기술(AMT) 는 올해 9월에 상용화된 3D 프린팅 부품을 위한 자동화된 후처리 솔루션을 개발했습니다. 회사의 PostPro3D 기계는 분말 기반 및 필라멘트 기반 3D 프린팅을 통해 생성된 3D 프린팅된 엘라스토머 또는 나일론 부품을 자동으로 매끄럽게 하고 마무리합니다. 흥미롭게도 PostPro3D는 HP와 Under Armour에서 테스트한 결과 기계적 특성에 영향을 미치지 않으면서 다공성, 밀봉 및 매끄러운 부품을 제거한다고 합니다.

적층 제조와 기존 기술을 결합하면 금속 부품의 자동 표면 마감이 가능해집니다. 더 나은 표면 조도와 더 엄격한 공차를 달성하기 위해 DED 기술과 CNC 밀링을 통합하는 하이브리드 시스템이 이미 시장에 나와 있습니다.

검사 및 품질 보증

끝 부분에 관해서는 불확실성의 여지가 없습니다. 이러한 이유로 공급 원료를 확인하고 적층 제조된 구성 요소의 기계적 및 화학적 특성을 식별하는 것은 AM 공정에 필수적입니다. 철저한 품질 감사가 부품에 결함이 없는지 확인하는 데 중요하지만 품질 검사를 위한 프로세스를 최적화하는 것도 마찬가지로 중요합니다.

오늘날 3D 인쇄 부품에 대한 검사의 대부분은 여전히 ​​전용 검사 장치를 사용하여 수동으로 수행해야 하지만 이러한 작업의 관리를 디지털화하기 위한 새로운 솔루션이 등장하고 있습니다.

예를 들어 AMFG에서는 Post-Processing Scheduling 및 디지털 품질 보증 관리 솔루션을 포함하는 포스트 프로덕션 관리 솔루션을 제공합니다. 전자는 사용자가 추가 사후 처리 요구 사항을 충족하는 데 필요한 리소스를 계획하고 할당할 수 있도록 하여 사후 처리를 단순화합니다. 후자를 사용하여 사용자는 보고서, 데이터 시트 및 3D 이미지와 같은 부품 문서를 가져와서 이러한 사양을 물리적인 3D 인쇄 부품과 비교할 수 있습니다.

이와 같이 QA 프로세스를 디지털화하면 검사 단계에서 효율성과 추적성을 높일 수 있습니다.

후처리:앞으로의 길

올해는 3D 프린팅을 위한 후처리 솔루션에서 다양한 중요한 발전이 있었지만 3D 프린팅을 진정한 규모로 확장하기 위해서는 해야 할 일이 많이 남아 있습니다.

현재 업계의 기업들은 수동 작업을 소프트웨어나 로봇 구동 시스템으로 대체하기 위해 가능한 한 많은 후처리 단계를 자동화하는 데 집중하고 있습니다. 한편, 적층가공을 위한 설계는 후가공의 필요성을 줄이는 데 있어서도 핵심적인 요소입니다.

그러나 3D 프린팅에서 후가공의 고도화는 새로운 시스템 개발의 문제일 뿐만 아니라, 소프트웨어 솔루션, 지식 격차 해소 현재 업계가 직면한 주요 장애물 중 하나는 후처리와 관련된 포괄적인 표준 세트가 없다는 것입니다. 이 분야에서 작업이 진행되는 동안(예:ASTM은 금속 AM 부품의 열 후처리 표준을 발표했습니다.) 개발에는 시간이 걸릴 수 있습니다.

이러한 도전에도 불구하고 앞날은 밝습니다. 오늘날 우리가 관찰한 후처리의 지속적인 개선은 업계에서 요구하는 처리량, 일관성 및 생산성을 가져오는 데 도움이 될 것입니다.