금속 3D 프린팅 기술은 얼마나 성숙합니까?

[이미지 제공:CCDC 육군 연구소]

금속 3D 프린팅은 다양한 기술을 포괄하며, 각각의 장점과 응용 분야는 물론 자체 성숙도가 있습니다.

생산을 위해 특정 금속 3D 프린팅 기술을 채택할 때 현재 그 기능과 한계가 어디에 있는지 이해하는 것이 중요합니다. 그러나 금속 3D 프린팅의 경우 기업은 현실과 과장된 광고를 구분해야 하는 문제에 직면해 있습니다.

기업이 주요 금속 3D 프린팅 기술의 성숙도를 보다 쉽게 ​​평가할 수 있도록 오늘 우리는 NASA에서 처음 개발한 TRL(Technology Readiness Level) 시스템을 기반으로 최종 부품 생산을 위해 얼마나 준비되어 있는지 살펴봅니다.

기술 준비 수준(TRL)이란 정확히 무엇입니까?

1970년대 초 NASA에서 처음 개발한 "기술 준비 수준"은 새로운 기술이 우주 탐사에 적합한지 여부를 평가하는 데 사용되는 접근 방식입니다. 1990년대까지 TRL은 많은 미국 정부 기관에 적용되었으며 현재 많은 산업 분야에서 공통적으로 사용되고 있습니다.

TRL 시스템은 레벨 1(개념 평가)에서 레벨 9(성공적인 배포)까지의 기술 성숙도를 측정합니다. . 9개 레벨 각각은 기술 개발의 이정표를 보여줍니다.

금속 3D 프린팅 기술의 성숙도를 평가하기 위해 TRL을 어떻게 사용할 수 있습니까?

우리는 이 접근 방식을 적용하여 다양한 3D 프린팅 기술의 성숙도를 평가했습니다. 각 금속 3D 프린팅 기술에 대한 TRL을 식별하기 위해 TRL의 진화, 이를 채택하는 산업, 현재 사용 방법 및 미래를 형성하는 개발을 분석했습니다.

특히 어떤 경우에는 TRL이 애플리케이션에 따라 다를 수 있습니다. 예를 들어 직접 에너지 증착 기술은 생산 응용 분야의 경우 TRL 8에 머물고 수리 응용 프로그램은 레벨 9에 도달했습니다.

우리 연구에 따르면 대부분의 금속 3D가 인쇄 기술은 성능 문제를 해결하기 위해 운영 환경에서 테스트하는 것을 의미하는 TRL 7과 기능적 프로토타이핑 및 툴링의 응용 프로그램을 의미합니다.

일부는 정상 작동 조건에서도 성공적인 것으로 입증되었습니다(TRL 8) 더 넓은 제조 생태계(TRL 9)로의 통합을 향하고 있습니다.

레이저 파우더 베드 퓨전

기술 준비 수준:8

레이저 파우더 베드 퓨전(PBF)은 가장 잘 알려진 금속 3D 프린팅 기술 중 하나입니다. 금속 PBF 공정은 강력하고 미세 조정된 레이저를 금속 분말 층에 선택적으로 적용하는 것을 포함합니다. 이러한 방식으로 금속 입자가 레이어별로 융합되어 부품을 만듭니다.

금속 PBF의 기원은 1995년 독일 아헨의 프라운호퍼 연구소가 금속의 레이저 용융에 대한 최초의 특허를 출원한 때로 거슬러 올라갑니다. 그 이후로 EOS, Concept Laser(GE에 인수됨) 및 SLM Solutions와 같은 기존 플레이어를 포함한 많은 회사가 기술을 도입하여 PBF 시장에 진입했습니다.

지난 10년 동안 금속 PBF 3D 프린터 제조업체는 생산 기술을 최적화하기 위해 열심히 노력해 왔습니다. 이를 위해 주요 시장 참여자들이 자동화 및 통합 생산 솔루션을 출시하는 것을 보았습니다.

이러한 솔루션의 대부분은 유사한 특성을 공유합니다. 즉, 모듈식이고 구성 가능하며 효율성을 최대화하고 필요한 수작업의 양을 줄이기 위해 높은 수준의 자동화를 제공합니다.

동시에 PBF의 재료 선택은 지속적으로 확대되고 있습니다. 예를 들어 EOS는 지난달 금속 3D 프린터용으로 4가지 새로운 금속 분말을 출시했습니다. 그 중에는 스테인레스 스틸 CX, 알루미늄 AlF357, 티타늄 Ti64 Grade 5 및 Titanium Ti64 Grade 23이 있습니다.

이러한 발전 덕분에 레이저 PBF는 많은 산업 및 응용 분야에 적용되었습니다. 금속 PBF 채택에 특히 열성적인 한 산업은 항공 우주입니다.

오늘날 금속 PBF 3D 인쇄 부품은 엔진과 같은 중요한 항공기 및 우주선 시스템에 동력을 공급하고 있습니다. 여기에서 이 기술의 핵심 기능인 조립이 간소화되고 재료 낭비가 적은 복잡한 부품 생산이 진정으로 빛을 발합니다.

현재 레이저 PBF 기술은 기능 부품을 반복적으로 전달할 수 있습니다. 그러나 제조업체가 본격적인 생산에 착수하려면 여전히 약간의 미세 조정 및 테스트가 필요합니다. 이것이 현재 기술 준비 수준 8에 있다고 제안하는 이유입니다.

앞으로 금속 PBF 시스템의 사용 용이성과 신뢰성은 소프트웨어의 발전과 전반적인 워크플로.

이 추세를 뒷받침하는 한 가지 예는 캘리포니아에 기반을 둔 금속 3D 프린터 제조업체인 VELO3D입니다.

Intelligent Fusion이라고 하는 레이저 PBF 기술을 개발하면서 회사는 소프트웨어 및 하드웨어 통합에 중점을 두었습니다. 그 결과 더 적은 수의 지지대, 더 나은 표면 조도 및 더 높은 성공률로 부품을 인쇄할 수 있는 긴밀하게 통합된 시스템이 탄생했습니다. 이는 차례로 더 높은 신뢰성, 더 빠른 생산 및 더 적은 후처리로 이어집니다.

레이저 PBF는 금속 3D 프린팅 산업의 원동력으로 남아 있습니다. Metal PBF 3D 프린터는 다른 금속 3D 프린팅 기술 중에서 가장 큰 설치 기반을 가지고 있습니다. 그리고 PBF 3D 프린터 제조업체는 다른 유형의 금속 3D 프린터를 생산하는 회사와 비교할 때 금속 3D 인쇄 시장의 가장 큰 점유율을 가지고 있습니다.

이 때문에 금속 PBF 기술을 위한 많은 재료가 먼저 개발되고 있습니다. 이는 고성능의 복잡한 금속 3D 인쇄 부품에 대한 수요에 따라 이 기술의 진화가 계속될 것임을 의미합니다.

전자빔 용융

기술 준비 수준:8

전자빔 용융은 레이저 PBF와 마찬가지로 3D 프린팅 기술의 파우더 베드 융합 제품군에 속합니다. EBM은 금속 분말도 용융되어 완전히 조밀한 금속 부품을 생성한다는 점에서 레이저 PBF와 유사하게 작동합니다.

두 기술의 주요 차이점은 에너지원입니다. EBM 시스템은 레이저 대신 고출력 전자빔을 열원으로 사용하여 금속 분말 층을 녹입니다.

2000년에 이 기술에 대한 특허를 취득한 이후로 스웨덴 회사인 Arcam은 EBM 3D 프린터의 주요 제조업체로 남아 있습니다.

2016년 GE가 회사를 인수한 후 EBM 기술은 계속해서 발전했습니다. 2018년에 Arcam은 차세대 EBM 기계인 Spectra H를 출시했습니다.

'H'는 'hot metal'을 의미하며, 이는 티타늄 알루미나이드와 같은 고열 및 균열이 발생하기 쉬운 재료를 처리할 수 있음을 의미합니다. (TiAl) 1000°C에 도달하는 온도에서.

Arcam EBM Spectra H에는 생산성을 높이고 전체 비용을 절감하기 위한 여러 가지 새로운 기능이 있습니다.

예를 들어 EBM Spectra H에는 6kW HV 전력이 장착되어 있습니다. 현재 시장에 나와 있는 다른 EBM 기계에 비해 예열 및 사후 가열 단계를 50% 줄이는 데 도움이 됩니다.

또한 적층 공정은 고온을 줄이기 위해 업그레이드되었습니다. 이를 통해 제조업체는 전체 높이 빌드에서 최대 5시간을 절약하고 다른 EBM 기계에 비해 인쇄 속도를 최대 50% 높일 수 있습니다.

GE 항공 사업부인 Avio Aero는 35 Arcam을 사용하고 있는 것으로 알려졌습니다. 기계:31개의 Arcam A2X 기계 및 4개의 Arcam EBM Spectra H 기계. Avio Aero에서 3D 프린터는 새로운 대형 GE9X 엔진의 저압 터빈용 TiAl 블레이드를 생산하는 데 사용됩니다.

항공우주 외에도 의료 산업은 이 기술을 광범위하게 사용하여 의료 임플란트를 생산하고 있습니다. . 이 애플리케이션에 EBM을 가장 먼저 사용한 것은 2007년으로 거슬러 올라갑니다.

금속 AM에 대한 GE의 자원과 전문 지식을 바탕으로 EBM 기술은 산업화를 향한 궤도에 오르고 있습니다. 이 기술은 항공우주 및 의료와 같이 규제가 엄격한 산업의 생산 환경에 적용되고 있습니다. 이러한 애플리케이션을 고려하여 EBM은 TRL 8에 도달했습니다.

직접 에너지 증착

기술 준비 수준:8

용접 공정에서 시작된 DED(직접 에너지 증착)는 재료가 노즐을 통해 빌드 플랫폼으로 밀려갈 때 레이저 또는 전자 빔으로 금속을 녹이는 것을 포함합니다.

DED 시스템은 와이어 또는 분말을 공급원료로 사용합니다. 대부분의 시스템은 용접 또는 분말 야금용으로 개발된 상용 기성 재료를 사용합니다. 기성품 재료를 사용하면 재료 선택의 폭이 더 넓어지고 품질이 향상되고 가격이 저렴해지는 등 많은 이점이 있습니다.

DED를 처음으로 성공적으로 적용한 것 중 하나는 손상된 부품을 수리한 것입니다. 이 기술은 터빈 블레이드 및 사출 금형 인서트와 같은 손상된 부품에 재료를 추가하는 데 사용됩니다. DED는 마모된 부품을 수리함으로써 가동 중지 시간과 부품 교체와 관련된 비용을 줄이는 동시에 부품의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.

DED를 수리 용도 외에 사용할 수 있도록 DED 시스템 제조업체는 기능성 금속 부품 생산을 위한 솔루션을 개발하고 최적화해 왔습니다.

예를 들어, DED 기술의 선구자 중 하나인 Sciaky는 전자빔 적층 제조 시스템에 폐쇄 루프 제어를 도입했습니다. Sciaky의 공정 모니터링 시스템은 실시간 광학 이미징과 머신 비전을 결합하여 용융 풀의 크기, 모양 및 온도를 측정합니다.

이미지에서 얻은 데이터를 기반으로 폐쇄 루프 제어 시스템은 다음 빔 파워, 와이어 이송 속도 및 기계의 움직임을 제어하는 ​​소프트웨어에 조정 명령을 제공합니다. 덕분에 공정 반복성을 상당히 개선할 수 있습니다.

DED 기술은 이미 여러 항공우주 및 방위 분야에 적용되었습니다. 위성용 티타늄 연료 탱크 돔, 보잉 787 드림라이너용 구조용 티타늄 부품, 군용 차량용 교체 부품이 그 예입니다.

이 기술은 쉽게 사용할 수 있는 유지 관리 솔루션으로 자리 잡았습니다. 이 애플리케이션에서 DED는 TRL 9의 약자입니다.

프로덕션 애플리케이션과 관련하여 DED는 제조 도구로도 사용될 수 있습니다. 그러나 공정 내 제어를 향상시키고 인쇄 해상도를 향상시키는 측면에서 더 많은 개발이 필요합니다.

현재 이 기술은 부품 사양과 우수한 표면 조도를 달성하기 위해 상당한 가공이 필요한 거의 그물 모양을 생산합니다. 인쇄 해상도를 개선하면 제조업체는 2차 가공에 필요한 시간과 비용을 줄일 수 있습니다.

금속 바인더 분사

기술 준비 수준:다양함

Metal Binder Jetting은 매우 유망한 제조 기술로 빠르게 발전하고 있습니다. 그러나 기술 준비 수준은 오늘날 시장에 나와 있는 금속 바인더 분사 기술에 따라 크게 다릅니다.

금속 바인더 분사는 1993년 MIT에서 처음 개발되었습니다. 인쇄 프로세스는 얇은 분말 층을 펴는 것으로 시작되며 프린트 헤드는 전략적으로 바인더 방울을 분말 베드에 배치합니다. 이 공정은 부품이 완성될 때까지 층별로 반복되며 사용되지 않은 분말(약 95%)이 재활용됩니다.

1996년부터 MIT로부터 기술 라이선스를 받아온 ExOne은 금속을 제공하는 유일한 회사로 남아 있습니다. 2010년대 초까지 바인더 분사 서비스 및 시스템. ExOne의 금속 바인더 분사 시스템은 금속 프로토타입 및 툴링을 만드는 데 주로 사용되었습니다.

그러나 금속 바인더 분사 특허가 만료되기 시작하면서 경쟁이 가열되어 회사가 생산 수준 솔루션 개발을 시작하도록 장려했습니다. 최신 제품인 X1 25PRO 3D 프린터는 몇 달 전에 상업적으로 출시되었습니다.

금속 바인더 분사 시장의 또 다른 큰 업체는 Digital Metal입니다. 2017년에 처음 출시된 DM P2500 3D 프린터는 항공우주, 명품, 치과 도구 및 산업 장비를 포함한 다양한 산업 분야에서 300,000개 이상의 부품을 생산한 것으로 알려졌습니다.

또한 HP 및 Desktop Metal을 포함하여 금속 바인더 분사 분야에 몇 명의 신규 업체가 있습니다.

2016년 폴리머 부품용 Multi Jet Fusion 기술을 공개한 후 HP는 2018년에 추가 제품의 다음 확장인 Metal Jet 3D 프린팅 시스템을 도입했습니다. 새로운 시스템을 통해 HP는 이 기술을 대량 생산 환경에 적용하려고 합니다.

이를 달성하기 위해 회사는 시스템에 더 많은 노즐을 장착하고 혁신적인 결합제를 도입했습니다. 결합하여 이러한 발전은 인쇄 프로세스를 더 빠르고 간단하게 만드는 것으로 보고됩니다.

Desktop Metal의 3D 프린터 이면에 있는 기술은 회사에서 일반적인 바인더 분사 프로세스의 더 빠른 버전인 SPJ(Single Pass Jetting)라고 부르는 것입니다. 회사는 자사 시스템이 시간당 최대 12,000cm3의 속도로 인쇄할 수 있다고 주장하며, 이는 시간당 60kg 이상의 금속 부품을 의미합니다.

흥미롭게도 HP의 Metal Jet와 Desktop Metal의 생산 시스템은 비슷한 가치를 공유합니다. 제안. 두 바인더 젯팅 기반 기계는 더 빠른 속도와 확장성을 구현하여 기존 제조 방식을 혁신할 것으로 보입니다.

데스크탑 메탈의 생산 시스템이 올해 초 출시되었지만 HP의 기술은 2020년 출시될 예정이며 현재 HP 메탈 젯 생산 서비스를 통해서만 사용할 수 있습니다.

많은 금속 바인더 분사 기술이 최근에야 등장한 것은 사실입니다. 이는 내부 또는 고객 사이트에서 추가 테스트를 통해 연속 생산 애플리케이션에 대한 준비가 되었음을 증명하는 데 시간이 필요하다는 것을 의미합니다.

생산 응용 분야의 실적을 통해 Digital Metal 및 ExOne의 기술과 같은 이전 기술은 기술 준비 수준 7과 8 사이에 있습니다. 우리는 최신 금속 바인더 분사 기술이 TRL에 도달하거나 이를 초과할 것으로 예상합니다 앞으로 몇 년 동안 8.

금속 바인더 분사 시스템은 자동차 및 산업재 대량 생산을 포함하여 다른 금속 3D 프린팅 기술이 침투하기 어려운 시장을 해결하기 위해 계속 발전할 것입니다. 이것은 앞으로 이 기술에 대한 흥미로운 성장 기회를 많이 만듭니다.

결합 금속 증착

기술 준비 수준:7

Bound Metal Deposition은 금속 적층 제조 분야의 흥미로운 신생 기업입니다. 이 기술은 FFF(Fused Filament Fabrication)와 유사하게 작동하며, 여기서 필라멘트를 가열하고 노즐을 통해 압출하여 레이어별로 부품을 생성합니다. 그러나 FDM에서 사용되는 플라스틱 필라멘트와 달리 금속 압출은 금속 분말로 만든 필라멘트 또는 플라스틱 바인더에 펠릿을 싸서 사용합니다.

이 분야에서 가장 눈에 띄는 두 회사는 Markforged와 Desktop Metal입니다. 두 회사는 2017년 금속 3D 프린팅 시스템(Markforged의 Metal X 및 Desktop Metal의 Studio System)을 처음 공개했습니다.

현재 이 기술은 주로 금속 프로토타입 및 툴링을 보다 빠르고 저렴하게 제작하는 데 사용됩니다.

한 예로 유체 이송 산업을 위한 액세서리 제조업체 및 공급업체인 Dixon Valve &Coupling Company가 있습니다. 이 회사는 Markforged의 Metal X를 사용하여 그리퍼 턱을 3D 인쇄했습니다. 이 도구는 기본적으로 강철 커플링에 밀봉 링을 추가하는 로봇 팔에 장착된 클램프입니다.

이러한 도구의 생산에는 14일이 소요되며 비용은 $355입니다. 비교하자면 금속 그리퍼를 3D 프린팅하는 데 드는 비용은 7달러이고 완료하는 데 1.25일이 소요됩니다. 이는 비용과 리드 타임 모두에서 90% 이상 절감됩니다.

결합 증착 기술은 비용면에서 큰 발전을 이루고 있습니다. 효과적인 프로토타이핑과 시장 출시 시간 단축, 생산 측면에서의 사용은 여전히 ​​제한적입니다. 예를 들어, 이러한 시스템은 확장하기 어려울 수 있는 소형 금속 3D 프린터로 배치됩니다.

그러나 더 많은 회사가 이 기술을 채택함에 따라 특히 석유 플랫폼과 같은 원격 위치에 대해 더 많은 예를 볼 수 있습니다. 향후 몇 년 동안 바운드 금속 증착을 사용하여 생성된 예비 및 최종 사용 부품.

금속 3D 프린팅으로 혁신

대부분의 금속 3D 프린팅 기술은 상당히 높은 기술 준비 수준에 도달했으며 이는 생산 응용 프로그램에 적합함을 의미합니다.

분명히, 특히 금속 3D 프린팅 기술의 경제성과 속도를 개선하기 위해 해야 할 일이 많이 남아 있습니다. 현재, 분말 베드 공정, DED 및 금속 바인더 분사는 기존 제조 시스템보다 훨씬 더 비쌉니다.

저렴한 바운드 분말 증착 시스템은 금속 3D 프린팅에 대한 접근성을 제공하며 소규모 기업에 좋은 진입점을 제공할 수 있습니다.

궁극적으로 기술 발전 자체는 퍼즐의 한 조각일 뿐입니다. 금속 3D 프린팅을 둘러싼 생태계가 계속 진화하는 것도 마찬가지로 중요합니다. 여기에는 더 잘 통합되고 사용하기 쉬운 소프트웨어 솔루션의 개발, 후처리 작업의 자동화 및 간소화된 워크플로 생성이 포함될 수 있습니다.

금속 3D 프린팅으로 모든 조각을 하나로 모으는 것만으로도 상당한 공정 및 제품 혁신을 달성할 수 있는 방법이 있습니다.