금속 3D 인쇄를 위한 품질 보증:3가지 공통 과제 해결

품질 보증(QA)은 틀림없이 3D 프린팅에서 가장 중요하면서도 가장 어려운 단계 중 하나입니다.

3D 프린팅이 고성능 산업 응용 분야에서 점점 더 많이 사용됨에 따라 이 기술은 까다로운 응용 분야를 충족하는 데 필요한 특성을 가진 고품질 부품을 일관되고 안정적으로 제공해야 합니다. 그러나 금속 3D 프린팅과 관련하여 이는 기술에 투자하려는 많은 제조업체에게 지속적인 도전 과제였습니다.

오늘의 기사에서는 기업이 시도할 때 직면하는 몇 가지 주요 문제를 살펴볼 것입니다. 금속 3D 인쇄 부품에 대한 QA 프로세스를 수립하고 사용 가능한 솔루션 중 일부를 탐색합니다.

도전 1:자료의 품질 보장

3D 인쇄 부품이 매우 까다로운 응용 분야의 표준을 충족하는지 확인하는 것은 사용된 재료의 품질에 크게 좌우됩니다.

그러나 재료 적격성은 금속 분말을 생산하거나 취급하는 회사에서 지속적인 과제입니다. 공정을 복잡하게 하는 한 가지 요인은 적층 제조에 사용되는 금속 분말의 순도를 유지해야 한다는 것입니다.

항공기 부품 또는 의료 기기와 같이 안전이 중요한 응용 분야의 경우 특히 재료가 100% 오염이 없어야 합니다. 불순물은 최종 부품의 속성을 변경하여 결과적으로 인쇄 실패로 이어질 수 있습니다.

그러나 금속 분말이 오염될 수 있는 방법에는 여러 가지가 있습니다.

예를 들어, 인쇄 과정 자체 또는 보관, 운송 및 취급 중에 오염 위험이 발생할 수 있습니다. 첫 번째 예를 들면:예를 들어 빌드 플레이트에 남아 있는 다른 분말의 잔류물이 있어 두 가지 다른 분말이 혼합될 수 있습니다. 따라서 각 생산 실행 후 빌드 플레이트를 철저히 청소하는 것은 중요한 예방 단계입니다.

또 다른 위험은 인쇄 과정에서 남은 분말을 재사용하는 것입니다. 분말 재료를 재사용하는 기능은 낭비를 줄이는 데 도움이 될 수 있지만 이러한 방식으로 분말을 반복적으로 재사용하면 수분, 산소 및 질소가 흡수됨에 따라 입자의 구성이 잠재적으로 변경될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

오염이 없는지 확인하기 위해서는 필연적으로 적층 가공에 적합한 테스트 방법이 필요할 것입니다.

해결책:CT 스캔 고려

금속 분말의 오염을 감지하는 가장 정확한 방법 중 하나는 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캐닝을 사용하는 것입니다.

CT 스캐너는 다양한 각도에서 수백 개의 X선 이미지를 가져와 3D 이미지를 생성하는 방식으로 작동합니다. 최신 CT 스캐너는 3미크론까지 세부 사항을 캡처할 수 있으며 일부 고해상도 microCT 스캐너는 훨씬 더 작은 마이크로미터 규모에서 작동하여 0.5미크론 복셀 크기까지 도달합니다.

현재의 microCT 장비는 알루미늄 및 티타늄에서 스테인리스 스틸 및 인코넬과 같은 더 무거운 금속 합금에 이르기까지 다양한 금속을 검사할 수 있습니다.

3D 프린팅을 위한 금속 분말을 검증하는 데 사용할 경우 CT 스캐너는 다음을 수행할 수 있습니다. 엔지니어에게 분말 미세 구조에 대한 심층 데이터를 제공합니다. 이 데이터는 외부 입자 오염 물질을 감지하고 입자 크기 및 모양 분포를 측정하고 입자 내부의 다공성을 감지하는 데 사용할 수 있습니다. 이 정보를 얻는 것은 엔지니어가 생산을 위한 분말의 적용 가능성을 확인할 수 있는 한 가지 방법입니다.

적층 제조를 위한 CT 스캐닝 서비스를 제공하는 한 회사는 Expanse Microtechnologies입니다.

AMFG의 사장이자 공동 설립자인 James Hinebaugh는 AMFG와의 인터뷰에서 “분말은 적층 제조의 전체 공급망에서 중요한 관심 대상입니다. 잘 퍼지고 잘 인쇄되는 좋은 분말을 만드는 것이 무엇인지 이해하는 것은 기업의 핵심 관심사입니다.

“1) 잘 상호 작용할 수 있는 이상적인 형태나 이상적인 크기 또는 형태 분포가 있는지 이해하는 것이 중요합니다. 다양한 리코터와 프린터, 그리고 2) 연구에 따르면 종종 부품에 갇혀 인쇄 과정에서 부품을 벗어날 수 없는 개재물 및 입자 내 다공성과 같은 분말의 결함을 줄일 수 있는 방법이 있습니다.”

이것은 Expanse Microtechnologies가 독점적인 MicroCT 스캐닝 솔루션으로 해결하고 있는 두 가지 영역입니다.

이 회사는 고급 이미지 처리 방법을 개발하여 재료의 다공성, 입자 및 기공 형태, 입자의 크기 및 모양 분포에 대한 심층 보고서를 생성할 수 있습니다.

이 정보가 있으면 적층 제조 사용자는 공급 원료 문제를 식별하고 사용하는 재료와 인쇄된 구성 요소의 품질 수준 간의 연관성을 이해할 수 있습니다.

적층 제조를 위한 공급 원료를 테스트하고 검증하는 것은 어려울 수 있지만 적층 제조 부품의 품질을 보장하기 위한 가장 중요한 단계 중 하나입니다. 현재 CT 스캐닝은 원시 AM 재료를 검증하는 데 사용할 수 있는 가장 강력하고 유용한 도구 중 하나를 제공합니다.

도전 2:프로세스 제어 설정

금속 3D 프린팅, 특히 파우더 베드 융합 기술의 경우 부품의 형태와 구조에 영향을 줄 수 있는 다양한 변수가 있습니다. 이러한 변수는 설계에서 빌드 준비 및 사후 처리에 이르는 전체 AM 워크플로에 걸쳐 있습니다.

인쇄 프로세스를 예로 들어 보겠습니다. 여기에서 프로세스의 성공 또는 실패를 결정하는 매개변수 중 일부에는 레이저의 경로와 강도, 프린터의 리코터 블레이드 속도가 포함됩니다. 다른 요소에는 지지 구조의 디자인과 분말이 재활용된 횟수와 같은 미묘함이 포함됩니다.

이 목록이 완전하지는 않지만 각 요소가 결과에 영향을 미칩니다. 빌드 및 편차는 어떤 식으로든 최종 부품 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.

현재 시행착오는 반복 가능한 생산 프로세스를 달성하기 위해 광범위한 변수를 처리하는 가장 일반적인 접근 방식입니다. 부속. 그러나 여기에는 최종 부품을 여러 번 제조하고 부품 자체에 대한 광범위한 테스트가 포함될 수 있습니다.

물론 이 접근 방식을 채택하는 것은 비용이 많이 들고 비효율적인 프로세스이며 비용 효율적으로 소량의 부품을 생산할 수 있다는 기술의 주요 이점 중 하나를 무효화합니다.

따라서 기업은 공정 제어 및 적층 제조 부품의 자격을 갖추기 위해 보다 지속 가능하고 실현 가능한 접근 방식을 채택해야 합니다.

해결책:폐쇄형 품질 관리 시스템 개발

3D 인쇄 부품에 대한 더 빠르고 안정적이며 지속 가능한 품질 보증 프로세스를 가능하게 하려면 세 가지 요소가 결합되어야 합니다. 여기에는 빌드 계획, 빌드 모니터링 및 피드백 제어가 포함됩니다.

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빌드 계획

인쇄 프로세스를 더 잘 이해하는 한 가지 방법은 시뮬레이션을 사용하는 것입니다. 엔지니어는 시뮬레이션을 사용하여 설계를 인쇄하기 전에 가상 디지털 환경에서 부품이 어떻게 작동하는지 테스트할 수 있습니다.

AM 프로세스를 시뮬레이션하면 엔지니어가 인쇄 프로세스 중에 발생하는 복잡한 프로세스를 분석할 수 있습니다.

금속 3D 프린팅은 뒤틀림 및 왜곡과 같은 문제가 발생하기 쉽기 때문에 시뮬레이션은 예를 들어 프린팅 과정에서 부품이 어떻게 왜곡되는지에 대한 핵심 통찰력을 제공합니다. 또 다른 예는 시뮬레이션을 사용하여 재료가 어떻게 녹고 응고되는지 정확하게 결정하는 것입니다.

엔지니어는 이 데이터를 사용하여 가장 성공적인 부품 방향 및 지원 전략을 선택하여 빌드를 계획할 수 있습니다.

즉, 시뮬레이션 소프트웨어에는 한계가 있습니다. “오늘날 모든 시뮬레이션 소프트웨어에는 제공할 수 있는 정확도를 제한하는 일정 수준의 가정이 내장되어 있습니다. 이것이 아마도 현재로서는 가장 큰 단점일 것입니다. 원하는 만큼 정확할 수 없습니다.”라고 ANSYS의 수석 기술자인 Dave Conover가 AMFG와의 최근 인터뷰에서 말했습니다.

그러나 시뮬레이션 기술은 빠르게 발전하고 있으며 소프트웨어 공급업체는 계속해서 제품을 개선하고 있습니다. 궁극적으로 설계 및 계획 단계에서 시뮬레이션 소프트웨어를 통합하면 시행착오를 없애고 인쇄 실패 가능성을 크게 줄이는 데 도움이 됩니다.

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빌드 모니터링

공정 중 모니터링 시스템은 부품 적격성 평가 프로세스를 추가로 지원할 수 있습니다. 센서와 카메라를 사용하여 실시간으로 빌드의 여러 측면을 측정하여 빌드 프로세스를 문서화하고 요구 사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다.

파우더 베드 AM 공정을 통해 카메라는 미세 구조, 재료 특성, 표면 마감 및 전체 부품 성능에 직접적인 영향을 미치는 용융 풀의 크기와 온도를 캡처할 수 있습니다.

엔지니어 그런 다음 이 데이터를 사용하여 뒤틀림 또는 균열과 같은 결함 가능성을 예측하고 결함이 발생하기 훨씬 전에 프로세스에 개입할 수 있습니다. 이 데이터는 문서화되어 있으므로 향후 이러한 결함으로 이어질 수 있는 공정 조건을 피하는 데 도움이 될 수 있습니다.

현재 AM에 최적화된 공정 중 모니터링 기술은 제한되어 있습니다.

Sigma Labs는 진행 중인 AM 품질 보증을 위한 솔루션을 제공하는 회사 중 하나입니다. 적층 제조를 위한 PrintRite3D 품질 보증 시스템은 PrintRite3D SENSORPAK 다중 센서 및 하드웨어를 PrintRite3D INSPECT 소프트웨어 모듈과 결합합니다.

IPQA 기술로 등록된 이 다면적 조합을 사용하면 센서 데이터를 사용하고 공정 중 품질 메트릭을 설정하여 AM 공정 중에 용융 풀 조건을 최적화할 수 있습니다. 공정 데이터의 통계적 분석을 사용하여 부품 품질에 대한 보고를 생성하고 반복성을 검증하는 데 사용할 수 있습니다.

향후 회사는 빅 데이터 분석 활용에 중점을 둔 ANALYTICS 소프트웨어 모듈을 추가할 계획입니다. 이 모듈은 인쇄 프로세스 중에 수집된 데이터에서 의미 있고 실행 가능한 정보를 추출하여 프로세스 내 품질 관리를 더욱 단순화할 수 있습니다.

3D 프린터 자체의 경우 일부는 이미 프로세스 내 모니터링 기능이 내장되어 있습니다. 예를 들어, 3D 프린터 제조업체 EOS는 EOSTATE 모니터링 제품군을 제공합니다. 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션은 실시간으로 품질 관련 데이터를 캡처할 수 있는 System and Laser, PowderBed, MeltPool 및 Exposure OT(광학 단층 촬영)를 포함한 4가지 모니터링 모듈을 기반으로 합니다.

EOSTATE Exposure OT를 통해 EOS는 고객에게 광학 단층 촬영을 통합한 품질 보증 도구를 제공하는 금속 분말 베드 시스템의 유일한 제조업체라고 주장합니다.

이 모니터링 시스템은 열화상 카메라와 유사한 근적외선 스펙트럼의 빛 방출을 수집하는 카메라를 사용합니다. 지오메트리와 크기에 관계없이 빌드 프로세스 전반에 걸쳐 각 부품을 레이어별로 완전히 매핑할 수 있습니다. 이 접근 방식을 통해 엔지니어는 AM 부품의 품질과 관련된 감지 가능한 현상의 범위를 확장할 수 있습니다.

MTU Aero Engines는 AM용 직렬 생산 라인에서 이미 이 모니터링 솔루션을 사용하기 시작한 회사 중 하나입니다. 에어로 엔진 부품.

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루프 닫기

인쇄 과정에서 매개변수를 감지하고 문서화하는 것이 중요합니다. 그러나 이 정보에 대해 실시간으로 조치를 취할 수 있는 능력(피드백 제어로 알려진 프로세스)은 이 접근 방식을 더욱 효과적으로 만듭니다.

폐쇄 루프 시스템이라고도 하는 피드백 제어는 인쇄 과정에서 편차를 발견하고 이를 보상하기 위해 시스템을 자동으로 조정하는 기능을 말합니다. 제조 프로세스에 대한 제어를 유지함으로써 제조업체는 품질을 뒷받침하는 일관된 형상, 표면 마감 및 재료 속성을 달성할 수 있습니다.

피드백 제어 AM 프로세스를 개발한 회사 중 하나는 Velo3D입니다. 9,200만 달러 이상의 자금을 조달한 후 Velo3D는 엔드-투-엔드 금속 AM 솔루션인 경우 출시와 함께 지난 여름에 등장했습니다. Velo3D Sapphire 3D 프린터, Flow 인쇄 준비 소프트웨어 및 회사에서 말하는 Intelligent Fusion 기술로 구성됩니다.

이러한 핵심 요소가 서로 긴밀하게 통합된 이 기술은 열 프로세스 시뮬레이션, 인쇄 성능 예측 및 폐쇄 루프 제어 처리를 가능하게 합니다. 결과적으로 Sapphire 시스템은 거의 지지 구조가 없는 오버행과 같은 까다로운 형상의 부품을 반복적이고 일관되게 생산할 수 있습니다.

Velo3D의 Flow 소프트웨어는 이러한 이점을 구현하는 데 필수적인 역할을 합니다. 소프트웨어는 사전 인쇄 시뮬레이션 및 수정을 실행하여 설계를 최적화하고 형상 및 부품 방향을 조정합니다. 이렇게 하면 파일을 준비하고 변형의 균형을 맞춰 부품이 올바르게 나올 수 있습니다. 폐쇄 루프 용융 풀 제어가 수반되는 현장 공정 계측은 소프트웨어와 함께 작동하여 궁극적으로 첫 번째 부품 성공률을 90% 이상으로 높입니다.

과제 3:인적 오류 감소

인적 오류는 3D 인쇄 부품이 필요한 모든 표준을 충족하는지 확인하는 데 있어 가장 큰 위험 요소입니다.

3D 프린팅은 지지대의 설계 및 제거에서 후처리 및 모든 단계에서 요구 사항이 충족되는지 수동으로 확인하는 것까지 예상보다 더 많은 인간 개입이 여전히 필요하기 때문입니다.

이 수준의 인간 개입은 필연적으로 최종 부품이 손상될 위험을 증가시킵니다.

포스트 프로덕션 단계를 예로 들어 보겠습니다.

빌드가 완료되면 포장을 풀고 해당 빌드에서 인쇄된 다양한 부품을 식별하고 검사한 후 후처리를 위해 보내야 합니다.

이 작업을 수행하는 생산 엔지니어는 일반적으로 인쇄된 작업 시트를 참조해야 하며, 기본적으로 2D 이미지를 물리적 이미지와 일치시키고 요구 사항 목록을 수동으로 확인해야 합니다.

이러한 검사 접근 방식은 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 방정식에서 워크플로 가시성을 제거합니다.

그러나 AM을 도입하는 많은 기업은 매뉴얼을 변환하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 더 빠르고 정확하며 자동화된 프로세스에 관련된 작업.

사람의 실수 가능성을 줄이는 것은 3D 인쇄 부품의 품질을 보장하는 데 매우 중요하기 때문에 이를 달성하는 한 가지 방법은 디지털 방법을 사용하여 가능한 한 많은 검사 단계를 자동화하는 것입니다.

솔루션:적층 제조를 위한 워크플로 소프트웨어 구현

워크플로 소프트웨어는 프로젝트 및 생산 팀이 AM 생산 프로세스를 관리하는 데 도움이 되는 디지털 중앙 집중식 플랫폼을 제공합니다.

품질 보증의 맥락에서 워크플로 소프트웨어는 기업이 모든 부품에 대한 요구 사항이 충족되도록 하는 데 도움이 되는 완전한 프레임워크를 제공할 수 있습니다.

또한 생산 관리자는 워크플로 소프트웨어를 사용하여 종이 없이 추적 가능한 부품 검사 프로세스를 만들 수 있습니다. 손에 들고 있는 작업 시트인 각 부품을 수동으로 검사하는 대신 물리적 부품을 3D 디지털 부품과 비교할 수 있습니다.

예를 들어 AMFG의 생산 후 관리 도구는 모든 부품 데이터를 포함하는 3D 뷰어를 제공하여 사용자가 부품과 해당 속성을 보다 정확하게 검사할 수 있도록 합니다.

이 도구를 사용하면 사용자가 성공한 부품과 실패한 부품의 비율을 추적할 수 있습니다. 실패한 것으로 표시된 부품은 재생산을 위해 플랫폼의 내부 생산 대기열로 자동 반환됩니다. 이것의 가장 큰 장점은 사용자가 부품에서 수행되는 각 작업을 추적할 수 있게 하여 품질 관리의 필요성에 추적성과 책임성을 추가할 수 있다는 것입니다.

AM에 대한 업계 전반의 QA 표준이 있습니까?

지금까지 우리는 프로세스, 재료를 검증하고 디지털 전략을 구현하는 방법을 이해하는 것이 기업이 생산을 위한 3D 프린팅의 이점을 누릴 수 있도록 하는 열쇠임을 확인했습니다.

산업 전반의 표준이 핵심적인 역할을 할 것입니다. 이 과정. 전통적인 제조 방식에서는 표준이 이미 보편화되어 기업이 제품 품질을 보장하고 공통점을 찾는 데 도움이 됩니다. 물론 전통적인 제조 방식은 관련 표준을 개발하는 데 수백 년은 아니더라도 수십 년이 걸렸습니다.

반면 3D 프린팅은 여전히 ​​상대적으로 새로운 프로세스이며 많은 표준과 인증이 아직 개발 중입니다. 앞으로 업계는 AM 재료, 프로세스 및 부품을 검증하는 데 드는 비용과 시간을 줄이기 위해 테스트 방법, 프로토콜 및 참조 데이터를 개발해야 합니다.

다행히도 이 분야는 빠르게 발전하고 있습니다. 작년에 AMST International은 레이저 또는 전자빔 분말 베드 퓨전을 사용하여 부품을 만드는 데 사용되는 기계 및 프로세스를 인증하는 방법을 설명하는 F3303 표준을 발표했습니다. 또한 부품 자격, 품질 보증 및 분말 베드 융합 부품의 후처리를 지원하기 위한 추가 표준이 이미 진행 중이라고 언급했습니다.

ASTM International과 함께 NIST(National Institute of Standards and Technology)는 AM 산업을 위한 QA 표준 개발을 위해 노력하고 있습니다. 예를 들어, NIST는 "강력한 사후 처리 측정을 생성하고 기계적 성능에 대한 강력한 이해를 개발하며 AM 부품을 검증하는 데 필요한 측정, 방법 및 도량형 시스템"에 중점을 둔 AM 부품 검증 프로젝트를 시작했습니다.

품질 관리

3D 프린팅으로 일관되게 고품질 금속 부품을 생산하려면 재료 품질과 공정 제어를 보장하는 것이 중요합니다.

처음에는 이것이 복잡해 보일 수 있지만, 업계 표준의 지속적인 개발로 뒷받침되는 품질 보증 프로세스를 지원하는 솔루션이 존재하기 때문에 제조업체는 안심할 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하고 귀사에 적합한 솔루션을 전략적으로 구현하면 고가치의 까다로운 애플리케이션을 위한 3D 프린팅의 이점을 포착하는 데 크게 도움이 될 것입니다.