3D 프린팅 부품의 치수 정확도

소개

이 기사의 목적은 엔지니어와 설계자에게 3D 프린팅 기술에서 얻을 수 있는 예상 치수 정확도를 비교하는 방법을 제공하는 것입니다. 모든 기술에는 장단점이 있지만 부품이 사양에 따라 인쇄되는지 여부를 결정하는 가장 중요한 두 가지 요소는 다음과 같습니다.

디자인 - 인쇄된 부품의 정확도는 디자인에 크게 좌우됩니다. 냉각 및 경화의 변화로 인해 내부 응력이 발생하여 뒤틀림 또는 수축을 유발할 수 있습니다. 3D 프린팅은 평평한 표면이나 길고 얇은 지지되지 않는 피처에는 적합하지 않습니다. 부품 크기가 커질수록 정확도도 감소합니다. 이 기사에서 논의된 각 기술에 대한 구체적인 설계 권장 사항은 기술 자료의 5장에서 찾을 수 있습니다.

자료 - 디자인과 마찬가지로 정확도도 재료에 따라 다릅니다. 종종 특정 재료 속성의 향상을 위해 부품의 정확도가 희생됩니다. 예를 들어, 표준 SLA 수지는 유연한 수지보다 치수가 더 정확한 부품을 생산합니다. 높은 정확도가 중요한 부품의 경우 표준 인쇄 재료를 사용하는 것이 좋습니다.

정확도 변수

3D 인쇄 부품의 정확도를 정량화하는 데 도움이 되도록 다음 매개변수가 사용됩니다.

• 치수 정확도 - 부품의 예상 정확도를 나타내는 기계 제조업체 및 재료 공급업체의 정량적 값. 명시된 모든 허용 오차는 잘 보정된 기계에서 잘 설계된 부품에 대한 것입니다.
  
• 뒤틀림 또는 수축 - 인쇄 단계에서 부품이 휘거나 줄어들 가능성이 있습니다. 이는 설계에 크게 좌우되지만 일부 공정에서는 본질적으로 휘거나 수축될 위험이 더 큰 부품을 생산합니다.
  
• 지원 요구 사항 - 많은 3D 프린팅 기술의 경우 사용되는 지원의 양이 표면 또는 형상이 얼마나 정확하게 프린팅되는지를 결정합니다. 이것의 단점은 지지대가 제거되어야 하므로 부품의 표면 마감에 영향을 미친다는 것입니다.
  
  

각 3D 프린팅 기술이 달성할 수 있는 최소 기능 크기 및 세부 사항에 대한 정보는 여기를 참조하십시오. 이 기사에서는 3D 인쇄 부품에 미치는 영향 레이어 높이에 대해 설명합니다.

FDM

FDM(Fused Deposition Modeling)은 기능보다 형태와 맞춤이 더 중요한 저비용 프로토타이핑에 가장 적합합니다. FDM은 열가소성 수지를 빌드 플레이트에 압출하여 부품을 한 번에 한 층씩 생산합니다.

대형 부품의 경우 빌드 플랫폼 전체에서 온도가 크게 변할 수 있습니다. 부품의 다른 영역이 다른 속도로 냉각되기 때문에 내부 응력으로 인해 인쇄물이 변형되어 뒤틀리거나 수축됩니다. 예리한 모서리와 모서리에 뗏목, 가열 침대 및 반경을 인쇄하는 것과 같은 솔루션을 사용하면 이를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

다른 재료는 다른 재료보다 휘어지기 쉽습니다. 예를 들어 ABS는 PLA보다 뒤틀림에 더 취약한 것으로 알려져 있습니다.

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SLA

SLA(스테레오리소그래피) 프린터는 레이저를 사용하여 수지 탱크의 특정 영역을 UV 경화하여 한 번에 한 단면의 단단한 부품을 형성합니다. 그러나 이러한 경화된 영역은 UV로 후처리할 때까지 완전한 강도가 아닙니다. 이 때문에 SLA 부품이 일반적으로 인쇄되는 각도와 방향으로 인해 지원되지 않는 스팬의 처짐이 발생할 수 있습니다.

한 번에 하나의 레이어가 만들어지면 이 효과가 누적되어 종종 높은 SLA 부품에서 볼 수 있는 치수 불일치가 발생합니다. 일부 SLA 프린터에서 사용되는 필링 프로세스로 인해 치수 불일치가 발생할 수도 있습니다. 박리 과정에서 당기는 힘으로 인해 부드러운 인쇄물이 구부러져 각 층이 쌓일 때 다시 쌓일 수 있습니다.

더 높은 굽힘 특성(덜 뻣뻣함)을 가진 수지는 뒤틀릴 위험이 더 크며 고정밀 응용 분야에 적합하지 않을 수 있습니다.

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SLS

선택적 레이저 소결(SLS)은 높은 정확도로 부품을 생산하고 복잡한 형상의 디자인을 인쇄할 수 있습니다. 레이저는 분말을 한 번에 한 층씩 선택적으로 소결하여 단단한 부분을 형성합니다.

인쇄 중 부품이 휘거나 수축될 가능성을 제한하기 위해 SLS 프린터는 분말을 소결 온도 바로 아래로 가열하는 가열된 빌드 챔버를 사용합니다. 그러나 이것은 여전히 ​​​​최근에 인쇄 된 상단 레이어가 높은 온도로 유지되는 동안 부품 바닥이 냉각 된 대형 SLS 부품의 온도 구배를 초래합니다. 뒤틀림이 발생할 가능성을 더욱 줄이기 위해 부품이 분말에 남아 천천히 냉각됩니다(종종 총 제작 시간의 50% 동안).

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재료 분사

재료 분사는 3D 프린팅의 가장 정확한 형태로 간주됩니다. 인쇄 과정에서 열이 발생하지 않기 때문에 뒤틀림 및 수축이 거의 발생하지 않습니다.

프린터 사양 아래에 인쇄되는 기능 및 얇은 벽과 관련된 대부분의 치수 정확도 문제. 재료 분사 인쇄는 인쇄 후 제거되는 부드러운 2차 재료의 견고한 구조로 지원됩니다. 지지체의 견고한 특성으로 인해 지지체와 접촉하는 표면이 높은 수준의 정확도로 인쇄됩니다. 주변 열, 습도 또는 햇빛에 노출된 결과 휘어지거나 치수가 변할 수 있으므로 재료 분사를 통해 생산된 부품을 취급할 때는 주의해야 합니다.

금속 3D 프린팅

금속 인쇄(특히 DMLS 및 SLM)는 레이저를 사용하여 금속 부품을 생산하기 위해 금속 분말을 선택적으로 소결하거나 녹입니다. SLS와 마찬가지로 금속 인쇄는 산업용 크기의 기계에서 제어되고 가열된 환경에서 부품을 한 번에 한 층씩 생산합니다. 공정에 관련된 매우 높은 온도와 결합된 이 층별 구조는 극도의 열 구배를 생성하고 최종 효과는 응력이 부품에 축적된다는 것입니다.

결과적으로 금속으로 인쇄된 부품은 왜곡되거나 뒤틀릴 위험이 높기 때문에 정확한 부품을 얻기 위해서는 우수한 설계 방식과 부품 방향이 중요합니다. SLS와 달리 지지 구조는 생산 중 부품의 왜곡을 최소화하는 데 중요합니다. 또한 부품은 일반적으로 단단한 금속판 위에 만들어지며 인쇄 프로세스가 완료되면 제거해야 합니다. 부품이 프린트 베드에 단단히 부착된 상태를 유지하고 분리되지 않도록 하려면 솔리드 및 격자 지지 구조와 함께 프로세스에 대한 올바른 이해가 필요합니다. 또한 대부분의 부품은 제작 후 및 제작판에서 제거하기 전에 열처리 공정을 통해 응력이 완화됩니다(이렇게 하면 결정 구조가 이완되어 나중에 고장이 방지됨).

금속 3D 인쇄 부품의 비용이 높기 때문에 인쇄 작업을 시작하기 전에 시뮬레이션을 사용하여 설계의 정확성을 검증하는 경우가 많습니다.

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경험 규칙

• 최고의 정확도를 위해(예산이 제약이 없는 경우) Material Jetting이 최적의 솔루션입니다.
  
• 높은 정확도를 위해 SLA는 1000cm 미만의 부품에 권장됩니다. ³ (10 x 10 x 10cm) 및 1000cm보다 큰 부품의 경우 SLS ³ (10 x 10 x 10cm).
  
• 빠르고 비용 효율적인 프로토타이핑 FDM이 최고의 솔루션입니다.