금속 3D 프린팅 소개

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SLM 및 DMLS:차이점은 무엇입니까?

선택적 레이저 용융(SLM) 및 직접 금속 레이저 소결(DMLS)은 분말 베드 융합 3D 인쇄 제품군에 속하는 두 가지 금속 적층 제조 공정입니다. 두 기술은 많은 유사점을 가지고 있습니다. 둘 다 레이저를 사용하여 금속 분말 입자를 스캔하고 선택적으로 융합(또는 용융)하여 함께 결합하고 부품을 한 층씩 만듭니다. 또한 두 공정에 사용되는 재료는 입자 형태의 금속입니다.

SLM과 DMLS의 차이점은 입자 결합 프로세스(및 특허)의 기본 사항으로 귀결됩니다. SLM은 단일 용융 온도의 금속 분말을 사용하여 입자를 완전히 용융시키는 반면 DMLS에서는 분말이 다양한 융점을 갖는 재료로 구성됩니다. 고온에서 분자 수준에서 융합합니다.

기본적으로:

SLM은 단일 금속으로 부품을 생산합니다. , DMLS는 금속 합금으로 부품을 생산합니다. .

SLM과 DMLS는 모두 산업용 애플리케이션에서 최종 사용 엔지니어링 제품을 만드는 데 사용됩니다. 이 기사에서 우리는 금속 3D 프린팅이라는 용어를 일반적으로 두 프로세스를 모두 지칭하고 엔지니어와 디자이너가 기술의 이점과 한계를 이해하는 데 필요한 제조 프로세스의 기본 메커니즘을 설명합니다.

EBM(전자빔 용융) 및 UAM(초음파 적층 제조)과 같이 고밀도 금속 부품을 생산하는 데 사용할 수 있는 다른 적층 제조 공정이 있습니다. 그러나 가용성과 응용 프로그램이 제한되어 있으므로 여기에 표시되지 않습니다. Metal Binder Jetting에 대한 자세한 내용을 보려면 여기를 클릭하십시오.

금속 3D 프린팅은 어떻게 작동합니까?

SLM 및 DMLS의 기본 제조 프로세스는 매우 유사합니다. 작동 방식은 다음과 같습니다.

1. 빌드 챔버는 먼저 불활성 가스(예:아르곤)로 채워져 금속 분말의 산화를 최소화한 다음 최적의 빌드 온도로 가열됩니다.
   
2. 금속 분말의 얇은 층이 빌드 플랫폼 위에 퍼지고 고출력 레이저가 구성요소의 단면을 스캔하여 금속 입자를 함께 녹이고(또는 융합) 다음 층을 생성합니다. 모델의 전체 영역이 스캔되므로 부품이 완전히 견고하게 제작됩니다.
   
3. 스캐닝 프로세스가 완료되면 빌드 플랫폼이 한 층 두께만큼 아래쪽으로 이동하고 리코터가 금속 분말의 또 다른 얇은 층을 퍼뜨립니다. 이 과정은 전체 부분이 완료될 때까지 반복됩니다.
   
   

빌드 프로세스가 완료되면 부품이 금속 분말로 완전히 캡슐화됩니다. 폴리머 분말 베드 융합 공정(예:SLS)과 달리 부품은 지지 구조를 통해 빌드 플랫폼에 부착됩니다. . 금속 3D 프린팅의 지지대는 부품과 동일한 재료를 사용하여 제작되며 높은 처리 온도로 인해 발생할 수 있는 뒤틀림 및 왜곡을 완화하기 위해 항상 필요합니다.

용기가 실온으로 냉각되면 초과 분말을 수동으로 제거하고 일반적으로 부품을 열처리하면서 여전히 빌드 플랫폼에 부착하여 잔류 응력을 완화합니다. 그런 다음 구성 요소는 절단, 기계 가공 또는 와이어 EDM을 통해 빌드 플레이트에서 분리되고 사용 또는 추가 후처리 준비가 됩니다.

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SLM 및 DMLS의 특성

프린터 매개변수

SLM 및 DMLS에서 거의 모든 공정 매개변수는 기계 제조업체에서 설정합니다. 레이어 높이 금속 3D 프린팅에 사용되는 20~50마이크론은 금속 분말의 특성(유동성, 입자 크기 분포, 모양 등)에 따라 다릅니다.

일반적인 빌드 크기 금속 3D 프린팅 시스템의 크기는 250 x 150 x 150mm이지만 더 큰 기계도 사용할 수 있습니다(최대 500 x 280 x 360mm). 치수 정확도 금속 3D 프린터가 달성할 수 있는 것은 약 ± 0.1mm입니다.

금속 프린터는 소량 배치 제조에 사용할 수 있습니다. 그러나 금속 3D 프린팅 시스템의 기능은 SLS 프린터보다 FDM 또는 SLA 기계의 배치 제조 기능과 더 유사합니다. 부품을 빌드에 부착해야 하므로 사용 가능한 인쇄 영역(XY 방향)에 의해 제한됩니다. 플랫폼.

SLM 및 DMLS의 금속 분말은 재활용성이 높습니다. :일반적으로 5% 미만이 낭비됩니다. 각 인쇄 후 사용하지 않은 분말을 수집하고 체질한 다음 다음 제작에 필요한 수준까지 신선한 재료를 채웁니다.

금속 인쇄의 낭비는 지지 구조의 형태로 제공됩니다. , 이는 빌드를 성공적으로 완료하는 데 중요하지만 필요한 재료의 양(및 비용)을 크게 증가시킬 수 있습니다.

레이어 접착

금속 SLM 및 DMLS 부품은 거의 등방성을 가집니다. 기계적 및 열적 특성. 내부 다공성이 거의 없는 고체입니다(인쇄된 상태에서 0.2 - 0.5% 미만, 열처리 후 거의 없음).

금속으로 인쇄된 부품은 더 높은 강도와 ​​경도를 가집니다. 종종 더 유연합니다. 전통적인 방법으로 제조되는 부품보다 그러나 피로에 더 취약합니다.

예를 들어 AlSi10Mg EOS의 기계적 특성을 살펴보세요. 금속 3D 프린팅 합금 및 A360 다이캐스트 합금 . 이 두 재료는 규소와 마그네슘 함량이 매우 높은 매우 유사한 화학 조성을 가지고 있습니다. 인쇄된 부품은 단조 재료에 비해 기계적 특성이 우수하고 경도가 높습니다.

가공되지 않은 재료의 입상으로 인해 완성된 표면 거칠기 금속 3D 프린팅 부품의 (Ra)는 약 6 - 10 μm입니다. 이 상대적으로 높은 표면 거칠기는 낮은 피로 강도를 부분적으로 설명할 수 있습니다. .

^{* :열처리:300℃에서 2시간 동안 소둔
** :준공 샘플에서 테스트되었습니다.}

지지 구조 및 부품 방향

금속 인쇄에서는 처리 온도가 매우 높기 때문에 지지 구조가 항상 필요하며 일반적으로 격자 패턴을 사용하여 제작됩니다.

금속 3D 프린팅 지원은 3가지 기능을 제공합니다.

• 적합한 플랫폼을 제공합니다. 다음 레이어를 기반으로 합니다.
  
• 그들은 앵커 부품을 제작판에 연결하고 뒤틀림을 방지합니다.
  
• 방열판 역할 부품에서 열을 빼앗아 더 제어된 속도로 냉각되도록 합니다.
  
  

부품은 종종 뒤틀림 가능성을 최소화하고 임계 방향에서 부품 강도를 최대화하기 위해 비스듬히 배향됩니다. 그러나 이것은 필요한 지원의 양, 빌드 시간, 재료 낭비 및 (궁극적으로) 총 비용을 증가시킵니다.

무작위 스캔 패턴을 사용하여 뒤틀림을 최소화할 수도 있습니다. . 이 스캔 전략은 특정 방향으로 잔류 응력이 축적되는 것을 방지하고 부품에 특징적인 표면 질감을 추가합니다.

금속 인쇄 비용이 매우 높기 때문에 가공 중 부품의 거동을 예측하기 위해 시뮬레이션이 자주 사용됩니다. 토폴로지 최적화 알고리즘 또한 기계적 성능을 최대화하고 경량 부품을 생성할 뿐만 아니라 지지 구조의 필요성과 뒤틀림 가능성을 최소화하는 데에도 사용됩니다.

중공 섹션 및 경량 구조

SLS와 같은 고분자 분말 베드 융합 공정과 달리 큰 중공 섹션 지지 구조가 쉽게 제거될 수 없기 때문에 금속 인쇄에 일반적으로 사용되지 않습니다.

내부 채널용 Ø 8mm보다 큰 경우 지지 구조가 필요하지 않으므로 원형 대신 다이아몬드 또는 눈물방울 단면을 사용하는 것이 좋습니다. 이 기사에서 SLM 및 DMLS에 대한 더 많은 디자인 지침을 찾을 수 있습니다.

속이 빈 섹션의 대안으로 스킨과 코어로 부품을 설계할 수 있습니다. 스킨과 코어는 서로 다른 레이저 출력과 스캔 속도를 사용하여 처리되어 서로 다른 재료 속성을 생성합니다. 스킨과 코어를 사용하면 인쇄 시간과 뒤틀림 가능성을 크게 줄이고 안정성과 표면 품질이 우수한 부품을 생산하므로 솔리드 단면이 큰 부품을 제조할 때 매우 유용합니다.

격자 구조 사용 부품의 무게를 줄이기 위한 금속 3D 프린팅의 일반적인 전략이기도 합니다. 토폴로지 최적화 알고리즘은 가벼운 유기적 형태의 디자인에도 도움이 될 수 있습니다. .

일반 SLM 및 DMLS 자료

SLM 및 DMLS는 알루미늄, 스테인리스 스틸, 티타늄, 코발트 크롬 및 인코넬을 비롯한 다양한 금속 및 금속 합금으로 부품을 생산할 수 있습니다. 이 재료는 항공 우주에서 의료에 이르기까지 대부분의 산업 응용 분야의 요구 사항을 충족합니다. 금, 백금, 팔라듐, 은과 같은 귀금속도 가공할 수 있지만 그 응용 분야는 변두리이며 주로 보석 제작에 국한됩니다.

금속 분말의 비용은 매우 높습니다. 예를 들어 스테인레스 스틸 316L 분말의 킬로그램은 약 $350 - $450입니다. 이러한 이유로 부품 볼륨과 지원 필요성을 최소화하는 것이 비용을 가능한 한 낮게 유지하는 열쇠입니다.

금속 3D 프린팅의 주요 장점은 니켈 또는 코발트-크롬 초합금과 같은 고강도 재료와의 호환성이며, 이는 기존 제조 방법으로 처리하기 매우 어렵습니다. 상당한 비용 및 시간 절약 금속 3D 프린팅을 사용하여 그물에 가까운 부품을 만들어 나중에 매우 높은 표면 마감으로 후처리하여 만들 수 있습니다.

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후처리

금속 인쇄 부품의 기계적 특성, 정확도 및 외관을 개선하기 위해 다양한 후처리 기술이 사용됩니다.

강제적인 후처리 단계에는 느슨한 분말과 지지 구조의 제거가 포함되며 열처리(열 어닐링)는 일반적으로 잔류 응력을 완화하고 부품의 기계적 특성을 개선하는 데 사용됩니다.

CNC 가공은 치수적으로 중요한 형상(예:구멍 또는 나사산)에 사용할 수 있습니다. 미디어 블라스팅, 금속 도금, 연마 및 미세 가공은 금속 인쇄 부품의 표면 품질과 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다.

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금속 3D 프린팅의 장점 및 한계

금속 3D 프린팅 공정의 주요 장점과 단점은 다음과 같습니다.

금속 3D 프린팅 공정을 사용하여 기존 제조 방법으로는 생산할 수 없는 형상으로 복잡한 맞춤형 부품을 제조할 수 있습니다.
금속 3D 인쇄 부품은 성능을 최대화하는 동시에 무게와 어셈블리의 총 구성 요소 수를 최소화하도록 토폴로지를 최적화할 수 있습니다.
금속 3D 인쇄 부품은 물리적 특성이 우수하며 사용 가능한 재료 범위에는 금속 초합금과 같이 처리하기 어려운 재료가 포함됩니다.
금속 3D 프린팅과 관련된 재료 및 제조 비용이 높기 때문에 이러한 기술은 기존 방식으로 쉽게 제조할 수 있는 부품에는 적합하지 않습니다.
정확한 제조 조건과 공정 제어가 필요하기 때문에 금속 3D 프린팅 시스템의 빌드 크기는 제한적입니다.
이미 존재하는 디자인은 금속 3D 프린팅에 적합하지 않을 수 있으며 변경이 필요할 수 있습니다.