Thinking Big:대규모 3D 프린팅의 4가지 인상적인 응용

대형 3D 프린팅은 대형 부품 및 부품 제조를 위한 비용 효율적이고 유연한 솔루션으로 서서히 부각되고 있습니다. 즉, 현재 사용 가능한 대부분의 3D 프린터가 더 작은 부품용으로 개발되었기 때문에 터빈 블레이드 및 전체 항공기 날개와 같은 더 큰 부품을 인쇄할 수 있는 3D 프린팅 기술의 전망은 어떻습니까?

오늘의 기사에서는 현재 사용 가능한 대규모 3D 인쇄 기술과 대규모 3D 인쇄의 힘을 보여주는 현재 응용 프로그램을 살펴봅니다.

대규모 3D 프린팅이란 무엇입니까?

제조 기술로서 3D 프린팅이 점점 그 자리를 찾아가고 있습니다. 이 기술은 분할 베어링, 자동차 부품, 의료용 임플란트 및 신발과 같은 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 그러나 이러한 응용 프로그램의 공통점은 생산되는 부품이 모두 상대적으로 작은 크기라는 것입니다.

대형 3D 프린팅이 여전히 틈새 기술인 것은 사실입니다. 그러나 제조업체가 더 큰 부품을 생산할 때 직면하는 많은 문제를 해결할 수 있는 잠재력이 있습니다.

항공기 날개와 같은 상당한 크기의 구성 요소는 무겁고 번거로우며 생산에 더 긴 설정과 더 큰 도구가 필요합니다. 이는 궁극적으로 더 높은 제조 비용과 더 긴 리드 타임으로 이어집니다.

3D 프린팅은 제조업체가 대형 부품을 더 빠르고 비용 효율적으로 생산하는 데 도움이 될 수 있습니다. 3D 프린팅이 제공하는 설계 복잡성으로 인해 이러한 부품은 경량화 및 향상된 성능과 같은 주요 이점도 누릴 수 있습니다. 마지막으로, 부품으로 인쇄한 다음 조립하는 것과 달리 대형 구성요소를 단일 인쇄 실행으로 인쇄할 수 있다면 조립 시간을 줄이는 추가 이점이 있습니다.

대규모 3D 프린팅 기술

대규모 3D 프린팅의 경우, 그에 맞는 기술이 많이 있습니다. 다음은 알고 있어야 하는 상업적으로 이용 가능한 대규모 3D 프린팅 기술 중 일부입니다.

플라스틱용 대형 3D 프린팅

대면적 적층 제조(BAAM)

현재 사용 가능한 가장 큰 3D 프린팅 기술 중 하나는 BAAM(Big Area Additive Manufacturing)입니다. ORNL(Oak Ridge National Laboratory)이 Cincinnati Inc.와 협력하여 개발한 BAAM은 IMTS 2014에서 처음 등장하여 전체 자동차를 3D 인쇄하는 데 사용되었습니다.

갠트리 시스템에 압출기를 배치하는 3D 프린터는 ABS, PPS, PC, PLA 및 PEI와 같은 열가소성 재료를 사용하여 최대 6 x 2.4 x 2m의 부품을 만들 수 있습니다.

BAAM은 도입된 이후로 잠수함 선체의 실물 크기 프로토타입에서 3D 인쇄된 자율 주행 차량에 이르기까지 여러 응용 분야에 사용되었습니다.

대규모 적층 제조(LSAM)

미국 회사 Thermwood가 개발한 LSAM(Large Scale Additive Manufacturing) 기술은 산업 생산에 독점적으로 초점을 맞춘 또 다른 기술입니다.

2016년에 처음 공개된 LSAM 3D 프린터의 빌드 엔벨로프는 10 x 40피트(약 37제곱미터)이며 가로 및 세로로 물체를 모두 인쇄할 수 있습니다.

LSAM 3D 프린터의 고유한 기능 중 하나는 적층 및 감산 기술을 결합하여 부품을 생산하는 하이브리드 접근 방식입니다.

3D 프린팅 갠트리와 두 번째 트림 갠트리로 구성됩니다. 후자는 실제로 5축 CNC 라우터입니다. 이 조합은 부품 생산을 위한 모든 단계를 동일한 기계에서 수행할 수 있다는 것을 의미하므로 제조 프로세스의 속도가 빨라집니다.

LSAM 3D 프린터는 또한 특수 강철 합금으로 만들어진 압출기 나사 디자인이 특징입니다. 이 디자인으로 프린트 헤드는 450°C의 높은 온도에서 인쇄할 수 있어 고온 복합 열가소성 플라스틱이 필요한 대형 부품을 제조할 수 있습니다.

Thermwood의 LSAM 기계는 자동차 및 항공우주 산업을 포함하는 산업을 위한 금형 및 생산 설비와 같은 산업 도구의 생산을 위해 개발되었습니다.

BigRep의 대규모 3D 프린터

대형 3D 인쇄 분야에서 잘 알려진 이름인 BigRep은 대규모 3D 인쇄를 가능한 한 쉽고 저렴하게 만드는 것을 목표로 2014년에 설립되었습니다.

이 회사는 최초의 회사를 소개했습니다. 기계 — BigRep ONE v1 —은 같은 해에 제작되었으며 이 기계는 1입방미터의 다소 큰 제작 볼륨을 자랑하며 가격은 약 $40,000입니다.

원래 BigRep ONE 3D 이후 5년 프린터가 출시되었지만 BigRep ONE(현재 세 번째 버전)은 여전히 ​​사용 가능한 가장 낮은 볼륨당 가격 기계 중 하나입니다.

BigRep의 3D 프린터 라인은 소형 데스크탑 3D 사이의 시장 격차를 메웁니다. 프린터 및 더 크고 고가의 산업용 프린터를 대상으로 하며 중소 디자인 및 제조 회사를 대상으로 합니다.

대규모 금속 3D 프린팅

전자빔 적층 제조(EBAM)

금속 3D 프린팅의 세계에서 Sciaky는 EBAM(Electron Beam Additive Manufacturing) 기술로 구동되는 가장 큰 금속 3D 프린터를 제공합니다. 예를 들어, EBAM 150 시스템은 3708 x 1575 x 1575mm의 인상적인 빌드 볼륨을 가지고 있습니다.

EBAM은 전자빔을 사용하여 와이어 형태의 금속을 녹이는 용접과 유사한 프로세스를 사용합니다. 이는 이 기술이 티타늄에서 인코넬 및 스테인리스 스틸에 이르기까지 다양한 용접 가능한 재료를 처리하는 데 매우 적합하다는 것을 의미합니다.

Sciaky는 AM 시스템을 대규모 단조 및 주물에 대한 보다 빠르고 저렴한 대안으로 포지셔닝합니다. 이 회사의 특허 받은 Closed-Loop Control 시스템은 군사, 해군 및 항공 우주 분야의 응용 분야를 위해 향상된 특성과 미세 구조를 가진 금속 부품의 제조를 가능하게 합니다.

와이어 아크 적층 제조(WAAM)

EBAM과 유사하게 WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)도 와이어 공급 원료를 사용하지만 전기 아크의 도움으로 재료를 녹입니다. WAAM은 티타늄, 니켈, 스테인리스 스틸, 알루미늄 및 청동 합금과 같은 금속 합금을 사용하여 최대 10m 길이의 부품을 만들 수 있습니다.

WAAM은 압력 용기 및 비행기 동체 패널과 같은 대형 금속 부품을 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 이 기술은 최종 부품 생산 외에도 터빈 블레이드, 금형 및 금형과 같은 특정 구성요소의 수리 및 유지보수 작업에 이상적인 선택입니다.

대형 샌드 3D 프린팅

아마도 가장 유명한 대형 샌드 3D 프린터 제조업체는 2002년부터 이 분야에서 활동해 온 복셀젯일 것입니다.

복셀젯은 2011년에 가장 큰 샌드 중 하나인 VX4000을 출시했습니다. 현재까지 3D 프린터는 4 x 2 x 1m의 빌드 볼륨을 제공합니다.

ExOne은 voxeljet과 함께 최대 빌드 볼륨이 2.2 x 1.2 x 0.7m인 전문가급 샌드 프린팅 시스템을 제공합니다.

Voxeljet과 ExOne의 3D 프린터 모두 Binder Jetting이라는 공정을 사용합니다. 이 공정에서는 액체 결합제가 모래 층에 선택적으로 증착되어 모래 입자를 함께 결합합니다.

모래 3D 프린팅은 금속 주조를 위한 크고 복잡한 샌드 몰드 및 코어를 생성하는 더 빠르고 비용 효율적인 방법을 제공하기 때문에 주조 산업에 특히 유용합니다.

대규모 3D 프린팅의 혜택을 받을 수 있는 3가지 산업

지금까지 살펴본 바와 같이 대형 부품을 3D 프린팅할 수 있다는 것은 기업에 다양한 이점을 제공합니다. 아래에서 세 가지 다른 산업이 대규모 3D 프린팅을 활용하여 생산 속도를 높이고 배송을 가속화하며 재료 낭비를 줄이고 기존 제조 방식으로는 달성할 수 없는 새로운 형상을 만드는 방법을 살펴보겠습니다.

항공우주

항공우주 산업의 경우 3D 프린팅은 대체로 중소형 부품과 툴링을 생산하는 데 사용되어 제조업체가 시간을 절약하고 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다.

그러나 대형 3D 프린팅도 부문에 몇 가지 독특한 기회를 제공합니다. 이것의 이점은 긴 리드 타임과 자재 낭비를 줄이는 것입니다.

일반적으로 단조 및 기계 가공과 같은 전통적인 방법으로 대형 구조 부품을 생산하는 데는 최대 1년이 소요됩니다. 긴 리드 타임 외에도 기존의 빼기 방법은 많은 재료 낭비를 생성할 수 있습니다(경우에 따라 최대 80%).

반면에 대규모 3D 프린팅을 사용하면 적은 시간에 재료 낭비를 줄이면서 부품을 생산할 수 있습니다. 더 중요한 것은 이 기술이 여러 부품으로 구성된 구성요소를 단일 부품으로 인쇄할 수 있다는 것입니다. 이를 부품 통합이라고 합니다. 이 접근 방식을 사용하면 조립 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

스포트라이트:Lockheed Martin 3D 프린팅 항공우주 부품

항공 우주 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 대형 3D 프린팅 기술 중 하나는 Sciaky의 EBAM 기술입니다. 항공 우주 응용 분야에서 사용하는 주요 이유는 높이가 최대 6m이고 기존 제조 기술로 가능했던 것보다 훨씬 빠른 1.2m의 고성능 부품을 생산할 수 있다는 것입니다.

글로벌 항공우주 및 방위 기업인 Lockheed Martin은 2014년부터 이 기술을 사용한 최초의 EBAM 중 하나입니다. 이 대형 3D 프린팅 기능을 통해 회사는 거대한 티타늄을 3D 프린팅할 수 있습니다. 위성 연료 탱크를 위한 직경 116cm의 돔.

지난 여름 자격을 갖춘 3D 프린팅 돔은 위성에 연료를 실을 고압 탱크를 만들기 위한 다년간의 개발 프로그램의 일환으로 개발되었습니다. 위성 연료 탱크는 몸체를 형성하는 전통적으로 제조된 티타늄 실린더와 캡 역할을 하는 두 개의 3D 인쇄 돔으로 구성됩니다. 세 부분이 함께 용접되어 최종 탱크 용기를 형성합니다.

Lockheed Martin은 EBAM이 필요한 정확한 양의 재료를 투입하는 기능을 활용하여 재료 낭비를 80% 줄일 수 있었습니다. 또한 시간당 최대 11kg에 도달할 수 있는 EBAM 시스템의 높은 증착 속도 덕분에 제조업체는 2년이 아닌 3개월 만에 돔을 납품할 수 있게 되어 리드 타임이 87%나 단축되었습니다.

Lockheed Martin은 이러한 탱크가 회사가 우주 기술을 설계하고 제공하는 방식을 변화시키는 단계라고 믿습니다. 그리고 대형 3D 프린팅은 회사가 그 방향으로 나아가는 데 중요한 역할을 합니다.

스포트라이트:Bell Helicopters는 3D 프린팅을 사용하여 대형 블레이드 도구를 제작합니다.

Lockheed Martin이 최종 부품 생산에서 대규모 금속 3D 프린팅의 사용 사례를 발견한 반면, 폴리머 3D 프린팅은 Bell에서 툴링 생산의 판도를 바꾸고 있습니다.

항공우주 산업에서 툴링을 생산하는 것은 길고 비용이 많이 드는 과정일 수 있습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 Bell은 헬리콥터 블레이드용 대형 금형을 생산하기 위해 Thermwood의 LSAM 기술로 눈을 돌렸습니다.

도구의 주요 요구 사항은 우수한 표면 조도, 엄격한 허용 오차, 고압 및 고온에 노출될 복합 부품을 강화하는 데 도움이 되는 고압 멸균 처리를 견딜 수 있는 능력이었습니다.

LSAM은 두 가지 주요 이유로 이러한 애플리케이션에 이상적이었습니다. 첫째, 고압과 고온을 견딜 수 있는 고성능 탄소 강화 PESU 소재로 6m 길이의 공구를 제조할 수 있었습니다. 둘째, LSAM은 하이브리드 기술이기 때문에 두 번째 기계 없이도 부품을 3D 프린팅하고 완성할 수 있어 생산 프로세스의 속도를 더욱 높일 수 있습니다.

이러한 이점 덕분에 Thermwood는 기존 공정으로 몇 달이 걸리던 것과 달리 단 며칠 만에 도구를 제조할 수 있었습니다.

또한, 적층 기술을 통해 금형 캐비티의 뒷면에 닿지 않는 방식으로 내부 지지 구조를 설계할 수 있었습니다. 결과적으로 공기는 오토클레이브의 전체 성형 부품 아래로 자유롭게 흐를 수 있어 부품을 보다 일관되게 경화하는 데 도움이 됩니다.

이 성과는 대규모 3D 프린팅이 기술적으로 복잡한 대형 항공우주 부품을 위한 새로운 설계 가능성을 제시합니다.

건설

건설 산업의 3D 프린팅은 아직 채택 초기 단계에 있지만 이 기술은 이 분야에 유망한 잠재력을 제공합니다.

예를 들어, 건설 산업에서 3D 프린팅의 새로운 트렌드 중 하나는 3D 프린팅된 프리캐스트 거푸집입니다.

건축에서 거푸집은 콘크리트를 부어서 거푸집을 만드는 임시 거푸집을 말합니다. 거푸집 공사는 교량에서 기초 및 건물의 벽에 이르기까지 무엇이든 만드는 데 사용됩니다.

일반적으로 거푸집은 나무를 사용하여 수동으로 만들 수 있습니다. 그러나 나무 거푸집은 특별히 내구성이 없으며 15~20번의 주조 후에 종종 부서지기 시작합니다. 또한 수동 프로세스는 필연적으로 가능한 모양과 기하학의 범위를 인간이 생산할 수 있는 것으로 제한합니다.

이러한 시나리오에서 대규모 3D 프린팅은 거푸집 제작 프로세스를 크게 단순화하는 동시에 대형 몰드 구조의 복잡성과 내구성을 높일 수 있습니다.

스포트라이트:3D 인쇄 프리캐스트 몰드가 다층 건물의 외관을 변형

3D 인쇄 거푸집 공사를 사용하는 최근 사례 중 하나는 뉴욕시의 42층 주거 및 상업용 건물에 대한 대규모 개조 프로젝트와 관련이 있습니다.

건물의 새 파사드를 작업하던 회사인 Gate Precast는 이 프로젝트를 위한 나무 틀을 만드는 것이 완료하는 데 최대 9개월이 걸릴 수 있는 주요 작업이라는 것을 알게 되었습니다. 필요한 금형은 컸습니다. 그 중 일부는 최대 2.6 x 1.7 x 0.5m 크기로 생산 시간이 더 길어졌습니다.

공정 속도를 높이기 위해 회사는 BAAM 기술을 사용하기 위해 오크리지 국립연구소(ORNL)와 협력하여 3D 프린팅을 실험하기로 결정했습니다.

BAAM 덕분에 회사는 원하는 표면 조도를 얻기 위해 추가로 8시간의 기계가공과 함께 각각 8~11시간 사이에 금형을 인쇄할 수 있었습니다. 주형은 강도를 높이기 위해 잘게 잘린 탄소 섬유와 혼합된 일반적인 열가소성 수지인 탄소 섬유 강화 ABS로 제작되었습니다.

그 결과 수명 동안 최대 200개의 콘크리트 타설을 지지할 수 있는 강력한 몰드가 탄생했습니다. 이는 나무 몰드의 경우 15-20개 타설입니다.

회사는 3D 인쇄된 금형과 BAAM이 없었다면 이 프로젝트에 필요한 시간 내에 양식을 만드는 것이 불가능했을 것이라고 생각합니다.

이 경우 3D 프린팅은 더 짧은 시간에 더 내구성 있고 복잡한 몰드를 생산하는 데 가치를 제공했습니다.

거푸집을 만들기 위한 이러한 접근 방식에는 장점이 있지만 3D 프린팅이 목재 거푸집을 대체하지는 않을 것입니다. 그러나 이 프로젝트는 대형 부품의 3D 프린팅이 건설 산업에 다양한 이점을 제공하여 건축가에게 실행 가능한 프리캐스트 금형 제조 대안을 제공한다는 것을 증명합니다.

파운드리

대형 3D 프린팅은 파운드리 산업에서 점점 더 주목받고 있습니다. 주조 사업은 금속을 녹이고 특수한 형태의 주형과 코어에 부어 금속 주물을 생산하는 사업입니다.

금속 주조 공정과 관련하여 이 기술은 패턴, 코어 및 주형을 만드는 비용과 시간이 많이 소요되는 측면을 우회하는 데 도움이 될 수 있습니다.

일반적인 금속 주조를 예로 들어 보겠습니다. 도면에서 정밀한 몰드와 패턴을 생산하고 최종적으로 완성된 캐스트 부품에 이르기까지 몇 개월이 걸릴 수 있습니다. 주조 공장은 또한 일반적으로 재고에 금형을 보관해야 하며, 이는 금형이 크거나 거의 사용되지 않는 경우 비용이 많이 들 수 있습니다.

숙련된 패턴과 금형 제작자의 부족은 주조 공장이 자주 직면하는 또 다른 문제입니다.

3D 프린팅은 금속 주조 산업 내에서 위의 문제를 해결하는 데 도움이 되는 도구로 사용될 수 있습니다. 이 기술의 장점 중 하나는 상당히 단순화된 금형 제작 공정에 있습니다. 3D 프린팅은 설계 파일만 필요하기 때문에 수동 금형 제작 프로세스와 복잡한 코어 조립을 제거할 수 있습니다.

이러한 방식으로 생산을 간소화하면 주조 공장에서 몇 주 또는 몇 달이 아닌 며칠 내에 금형과 패턴을 만들 수 있습니다. 또한 3D 프린팅을 사용하여 주문형 금형을 생산할 수 있으므로 회사는 재고를 최소화하여 창고 비용을 절감할 수 있습니다.

스포트라이트:Teignbridge는 3D 인쇄 주조 패턴으로 프로펠러를 만듭니다.

Teignbridge는 예인선, 호화 요트, 낚시 트롤선 및 페리를 위한 맞춤형 프로펠러 및 선박 추진 시스템 제조를 전문으로 합니다. 40년 전에 설립된 이래로 회사는 제품 생산에 다단계 주조 공정을 사용해 왔습니다.

단계 중 하나는 최종 개체의 모델인 패턴을 만드는 것입니다. 패턴을 샌드박스에 넣어 금형을 만듭니다. 종종 이것은 노동 집약적이고 시간이 많이 소요되는 공정이며 먼저 나무 블록이나 폴리스티렌 블록에서 패턴을 밀링해야 합니다.

패턴을 만드는 데 필요한 시간을 줄이기 위해 Teignbridge는 BigRep의 BigRep ONE 3D 프린터를 사용하여 대형 FDM 3D 인쇄를 선택하기로 결정했습니다.

내부에 이렇게 큰 봉투가 있는 3D 프린터를 보유하면 Teignbridge가 전체 플라스틱 패턴을 한 번에 인쇄할 수 있고 주기 시간과 노동력 감소라는 실질적인 이점을 얻을 수 있습니다.

예를 들어, 패턴을 만드는 전통적인 접근 방식을 사용할 때 숙련된 CNC 작업자는 밀링, 섹션 조립 및 후처리에 최대 20시간을 할애할 수 있습니다. 이와 대조적으로 3D 프린팅을 통해 Teignbridge는 패턴 제작 프로세스를 자동화하여 노동 투입을 90%까지 줄일 수 있습니다.

금속 주조에서 3D 프린팅은 패턴과 몰드를 생산하는 대안으로 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

대형 FDM 3D 프린팅 외에도 기업들은 모래 3D 프린팅 옵션. 샌드 3D 프린터는 샌드 몰드를 직접 생성하여 패턴 제작 단계를 제거합니다.

모래 3D 프린팅 시스템은 4000 x 2000 x 1000mm만큼 클 수 있지만 상당히 비싼 경향이 있습니다. 그렇긴 하지만 기업들은 주조 프로세스를 더 빠르고 유연하며 비용 효율적으로 만들 수 있는 3D 인쇄 패턴 및 금형의 장점을 인정하기 시작했습니다.

대규모 3D 프린팅을 통한 큰 기회

대형 3D 프린팅은 현재 틈새 기술로 남아 있습니다. 그 주요 이유 중 하나는 많은 회사들이 여전히 대형 포맷 측면은 고사하고 일반적으로 적층 제조의 이점과 가능성을 인식하지 못하고 있다는 사실에 있을 수 있습니다. 그 결과 기업들은 적절한 비즈니스 사례를 찾기 위해 고군분투하고 있습니다.

복잡한 것은 많은 대형 3D 시스템이 여전히 엄청나게 비싸다는 것입니다. 결과적으로 적절한 응용 프로그램을 찾기 위해 기술을 실험하고자 하는 회사는 이를 감당할 수 없습니다.

다행히도 BigRep의 3D 프린터와 같은 보다 저렴한 옵션을 제공하면서 대규모 3D 인쇄 시장이 지속적으로 성장함에 따라 변화하기 시작했습니다.

궁극적으로 더 큰 부품을 인쇄하는 기술은 다른 시장과 응용 프로그램으로 확장할 가능성이 있습니다. 자동차도 그 중 하나가 될 수 있습니다.

자동차 제조업체는 대형 3D 인쇄를 사용하여 현재 기계로는 인쇄하기 어려운 스포일러 및 자동차 패널과 같은 더 큰 부품의 프로토타입을 만들 수 있습니다.

Ford Motor Company의 Harold Sears는 최근 인터뷰에서 AMFG와의 인터뷰에서 "모든 차량은 오늘날 기계의 제작 범위에 잘 맞는 많은 작은 구성 요소로 구성되어 있습니다."라고 말했습니다. “하지만 오늘날에는 적합하지 않은 더 큰 구성 요소도 많이 있습니다. 그래서 우리는 제조업체들이 더 큰 제작 범위를 가진 다른 시스템을 고려하는 것을 보고 싶습니다.”

확실히, 대형 3D 프린팅에 대한 수요는 감소된 리드 타임 및 비용. 이제 업계는 이러한 요구를 충족하기 위해 기술을 계속 발전시켜야 하며, 이를 통해 다른 업계가 문자 그대로 그리고 비유적으로 더 큰 기회를 열 수 있도록 해야 합니다.