금속 3D 프린팅: 올바른 선택인지 판단하기

출현 이래 금속 적층 제조는 비전통적인 보텀업 접근과 그 능력에 대한 화제로 엔지니어와 기술 애호가들의 주목을 받아왔습니다. 수년간 절삭 공정으로 신뢰성 있게 생산되어 온 부품에 적층 제조를 사용하는 것이 정말 유리할까요? 이 기사는 이 질문을 논의하고 금속 3D 프린팅이 부품 생산에 좋은 선택인 경우와 아닌 경우를 지적합니다.

금속 3D 프린팅(DMLS) 공정 개요

CNC 가공 같은 전통적 제조 기술은 일반적으로 소재를 제거해 제품을 성형하는 절삭 공정인 반면, 금속 3D 프린팅 기술은 적층 방식입니다. 가장 일반적이고 인기 있는 금속 3D 프린팅 기술 중 하나는 직접 금속 레이저 소결(DMLS)입니다.

일반적인 DMLS 공정은 3D 설계 CAD 파일 데이터를 극도로 얇은 레이어로 슬라이싱해 각 레이어에 대한 2D 모델을 효과적으로 생성하는 것으로 시작합니다.

기계는 고출력 광학 레이저를 사용합니다. 빌드 챔버 영역 내에는 소재 디스펜싱 플랫폼과 빌드 플랫폼, 빌드 플랫폼 위로 새 파우더를 이동시키는 롤러가 있습니다. 이 기술은 집중된 레이저 빔으로 금속 파우더를 국소적으로 녹여 고체 부품으로 융합시킵니다. 부품은 레이어별로 적층되어 제작됩니다.

금속 3D 프린팅을 선택해야 하는 경우

금속 3D 프린팅은 전통적 가공 대비 고유한 장점들을 가집니다. CNC 가공 대비 금속 3D 프린팅을 고려할 만한 몇 가지 경우를 나열합니다.

설계가 복잡한 경우

설계 복잡성과 자유도 면에서 금속 3D 프린팅은 전통적 방식보다 큰 우위를 가집니다. 많은 복잡한 설계는 전통적 기술로는 3D 프린팅만큼 쉽게 제조할 수 없습니다. 아래 예시를 보세요.

이런 유형의 복잡한 설계는 5축 CNC 기계를 사용해도 전통적 기술로 가공하기 매우 어려울 수 있습니다.

또 다른 장점은 복잡성의 저비용입니다. 전통적 제조로 복잡한 기계 부품을 만들려면 정밀도와 기술이 필요하며, 특히 복잡한 부품 조립 시 복잡성에 따라 가격이 상승합니다. 3D 프린팅은 각 부품을 만들기 전 조립하는 대신 한 공정으로 전체 조각을 만듭니다. 따라서 복잡성에 따른 추가 비용이 없습니다.

금속 시제품이 긴급히 필요한 경우

필요한 부품 수가 적다면(예: 1~5개) 또는 시제품 제작용이라면 금속 AM이 훨씬 더 유리합니다. 추가 단위당 비용이 거의 동일하므로 부품에 필요한 만큼의 변경을 가할 수 있습니다. 시제품 제작에 사용할 수 있습니다: 3D 프린팅으로 시제품을 만들고 필요한 기능이 충족될 때까지 업데이트합니다. 이는 제품을 양산으로 넘기기 전 중요한 단계입니다. 제조 공정 나머지 과정에서도 고유한 부품을 만들어 요구에 더 민첩하게 대응할 수 있습니다.

또한 금속 3D 프린트를 CNC 가공 부품보다 더 빨리 얻을 수 있습니다. CNC 가공은 일반적으로 소재 준비, 기계 설정, 적절한 툴링 확보에 더 많은 시간이 필요합니다. 결과적으로 첫 부품을 손에 쥐기까지 몇 주가 걸릴 수 있습니다. 3D 프린팅의 경우, DMLS처럼 전통적 방식보다 복잡한 경우라도 주문형으로 프린트해 별도의 램프업이나 툴링 없이 배송 가능해 기존 기술 대비 리드 타임이 단축됩니다. 리드 타임 단축과 더 효율적인 시제품 제작 공정의 조합은 처리 시간을 줄여줍니다. 이는 금속 3D 프린팅의 가장 큰 장점 중 하나입니다.

경량이고 내구성 있는 부품을 원하는 경우

항공우주 및 의료 산업은 자연스럽게 경량이면서 내구성 있는 부품을 요구합니다. 인코넬 718(Inconel 718), AlSi10Mg, 코발트-크롬 같은 슈퍼 합금은 기존 가공품 대비 경량으로 알려져 있습니다. 이 합금으로 부품을 제조하면 자연스럽게 더 가볍게 됩니다. 예를 들어, GE의 유명한 LEAP 엔진 시리즈용 3D 프린트 연료 노즐은 독립 공급업체에서 온 20개 개별 부품으로 만들어졌으나, 직접 금속 레이저 소결(DMLS)로 단일 부품이 되어 원래 부품보다 25% 더 가볍고 5배 더 강해졌습니다. 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요.

재료 낭비를 피하고 싶은 경우

3D 프린팅은 레이저 아래를 통과하는 소재(또는 익스트루더 등을 통과하는 소재)만 소비하므로 자원 효율성이 놀라울 정도입니다. 반면 전통적 CNC 가공은 재활용해야 할 칩과 작은 금속 조각을 남깁니다. 주어진 제품을 정당화하기 위해 그만큼 많이 생산할 필요가 없다는 사실도 낭비를 줄여줍니다.

금속 3D 프린팅 선택의 단점

금속 3D 프린팅이 전통적 기술 대비 가진 장점 외에, 후자를 선호하는 몇 가지 고려사항이 있습니다.

거친 표면 마감

3D 프린팅은 적층 공정이라 표면이 CNC 가공만큼 매끄럽지 않고 원하는 표면 텍스처를 내기도 쉽지 않습니다. 표면 텍스처가 중요하다면 CNC 가공을 고려해야 합니다. 그럼에도 서포트 구조 제거, 마감 향상, 심미성 개선을 위한 많은 후처리 기술이 있으며, 비용도 그에 따라 증가합니다.

덜 강한 부품

적층 기술 자체 때문에 금속 3D 프린트 부품은 단단한 금속 블록에서 가공한 것만큼 강할 수 없습니다. 최종 강도는 설계, 크기, 소재에 따라 다르지만, 일반적으로 금속 3D 프린트의 압축 강도는 CNC 가공 부품보다 평균 40~50% 낮습니다.

비싼 양산

CNC 가공으로 대량 생산하는 것이 더 저렴해집니다. 대량 생산은 여전히 산업 전반의 거대한 결정 요소이며, 이곳에서 3D 프린팅은 뒤처집니다. 3D 프린터가 객체를 조립하는 속도는 전통적 조립 라인과 비교할 때 종종 창백합니다.

제한된 빌드 볼륨

큰 부품 크기가 필요하면 항상 CNC 가공이 낫습니다. 예를 들어 DMLS로 달성 가능한 최대 부품 크기는 250 x 250 x 325mm인 반면 CNC 가공은 2000 x 800 x 1000mm입니다. 크기 비교는 파우더 베드 크기 제한으로 인해 3D 프린팅이 거대한 부품 제조에 불가능함을 명확히 보여줍니다.

제한된 소재 선택

사출 성형과 CNC 가공 같은 전통적 제조 옵션은 높은 소재 선택을 제공합니다. 금속 3D 프린팅의 경우 소재 선택이 더 적어, 필요한 부품에 특정 소재가 필요할 때 제한 요인이 될 수 있습니다. 현재 제오메트리에서 DMLS를 지원하는 금속/합금 파우더는 5가지이며, 필요한 부품에 다른 소재가 필요하면 전통적 가공 공정 외에 대안이 없습니다.

요약

금속 3D 프린팅이 모든 면에서 전통적 제조 기술을 대체한다고 말할 수 없습니다. 둘 다 각자의 장점과 단점이 있기 때문입니다. 두 기술의 강점을 간략히 요약하면:

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