초음파 적층 제조: 저온 3D 금속 프린팅 기술 설명

초음파 적층 제조(Ultrasonic Additive Manufacturing, UAM)는 초음파 접합(Ultrasonic Consolidation, UC)으로도 알려져 있으며, 적층 제조(AM) 또는 3D 금속 프린팅 기술입니다. UAM은 적층 객체 제조(Laminated Object Manufacturing, LOM)와 함께 '시트 라미네이션' 계열의 AM 공정에 속합니다.

다른 AM 기술과 비교할 때 UAM은 상대적으로 낮은 온도(사용 재료의 용융 온도 훨씬 아래)에서 작동하며, 플라스틱이나 나일론이 아닌 금속 부품을 생산하는 데 사용됩니다.

UAM의 간략한 역사

UAM 공정은 돈 화이트(Dawn White)가 개발했으며, 1999년 솔디카(Solidica Inc.)를 설립하여 상용 UAM 장비를 판매하며 발명을 상용화했습니다.

2007년, 솔디카는 에디슨 용접 연구소(Edison Welding Institute)와 협력하여 툴링 공정을 재설계하여 접합 품질을 개선하고 사용할 수 있는 금속의 수를 확대했습니다. 이 협력의 결과로 '초고출력 초음파 적층 제조'로 알려진 새로운 UAM 공정이 탄생했습니다.

이 파트너십은 2011년 새로운 고출력 UAM 공정을 상용화하고 새로운 UAM 장비 라인을 판매하기 위해 팹리소닉(Fabrisonic LLC)이라는 새 회사를 설립했습니다.

초음파 적층 제조 설명

대부분의 AM 공정과 마찬가지로 UAM 머신은 컴퓨터 지원 설계(CAD) 모델을 기반으로 부품을 만듭니다. 모델이 만들어지면 파일은 2차원 단면으로 '슬라이싱'되어 부품을 층별로 구축하는 데 사용됩니다.

그러나 3D 모델링 측면을 넘어 UAM은 다른 AM 기술과 크게 다릅니다. SLS 같은 대부분의 AM 기술이 분말 재료로 부품을 생산하는 반면, UAM은 금속 호일 시트를 사용합니다. 또한 다른 AM 기술과 달리 UAM은 열을 사용하지 않습니다. 대신 소노로드(sonotrode)라는 도구를 사용하여 초음파 진동을 생성하고, 압력과 결합하여 두 금속 층을 접합시킵니다.

(출처: The Effect of Ultrasonic Additive Manufacturing on Integrated Printed Electronic Conductors, Electronic Material Letters 14, 413-425, 2018)

제조 공정은 다음과 같습니다:

• 고체 금속 베이스 플레이트가 빌드 플랫폼에 고정됩니다.
• 금속 호일이 베이스 플레이트 위에 놓이고, 전체 빌드 플랫폼이 소노로드 아래로 이동하여 호일을 베이스 플레이트에 접합합니다. 이 시점에서 부품은 어떤 형태로도 성형되지 않습니다.
• 이 과정은 접합된 층이 미리 정해진 깊이에 도달할 때까지 반복됩니다.
• 기존 절삭 CNC 가공에 사용되는 것과 유사한 CNC 머신이 여분의 호일을 제거하여 부품을 성형합니다.
• 이 사이클은 부품이 지정된 높이에 도달할 때까지 반복됩니다.
• 더 작은 밀링 도구로 부품을 추가로 성형하고 완성된 부품에 필요한 내부 밀링을 완료합니다.
• 전체 UAM 사이클은 부품이 완료될 때까지 반복됩니다.
• 부품을 빌드 플랫폼에서 제거하고 베이스 플레이트를 분리합니다.

보시다시피 UAM은 실제로 적층 및 절삭 제조가 결합된 하이브리드 공정으로, AM 기술의 층별 접근 방식과 절삭 CNC 밀링을 결합합니다.

초음파 제조 머신

UAM 공정은 팹리소닉(Fabrisonic, LLC)이 개발한 초음파 3D 프린팅 머신 라인을 사용합니다. 이 머신들은 서로 다른 금속 간에도 매우 강한 결합을 만들 수 있습니다. 또한 공정에 고열이 관여하지 않으므로 결합 공정이 층의 분자 구조에 변화를 일으키지 않아, 일부 다른 금속 AM 공정에 내재된 취성 특성을 피할 수 있습니다.

팹리소닉 머신의 또 다른 이점은 다른 기술로는 사용할 수 없는 구리와 알루미늄 같은 금속을 접합할 수 있다는 것입니다.

물론 머신들이 인상적이지만 가정용으로는 적합하지 않습니다. 소규모 R&D 중심 머신조차 20만 달러에 육박하므로, 팹리소닉 UAM 머신은 산업 및 연구 목적으로만 사용됩니다.

초음파 제조를 위한 모델 전처리

UAM을 사용하여 부품을 생산하기 전에 먼저 전처리 단계를 거쳐야 합니다. 이 단계에서 생산할 부품의 3D CAD 모델이 전문 모델링 소프트웨어를 사용하여 분석됩니다.

UAM을 위한 데이터 준비는 SLS를 위한 데이터 준비와 유사한 과정을 따릅니다. UAM은 얇은 벽과 날카로운 모서리에 관해서는 SLS와 같은 제한이 없지만, 여전히 일정 수준의 전처리가 필요합니다:

• 복잡한 형상을 포함하는 부품은 형상 단순화 도구를 사용하여 단순화해야 합니다.
• 설계자는 시뮬레이션 모델링 도구와 기법을 사용하여 부품이 UAM 프린팅에 적합하고 실제 사용에 견딜 수 있는지 확인해야 합니다.

부품이 처리되면 '슬라이싱' 소프트웨어를 사용하여 3D 모델을 단면으로 알려진 2차원 층으로 변환합니다. 무료 애플리케이션으로 이 데이터 준비 과정을 완료할 수 있지만, 전문 설계자는 공인된 소프트웨어 패키지를 사용하는 것이 좋습니다.

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초음파 적층 제조의 장점과 한계

UAM은 대부분의 다른 AM 공정이 제공할 수 없는 세 가지 중요한 장점을 제공합니다.

1. '불가능한' 내부 채널을 가진 금속 부품 생산 가능

많은 부품에 내부 채널이 필요하며, 주로 냉각 목적으로 사용됩니다. 그러나 FDM과 SLS 같은 다른 AM 공정(그리고 확실히 기존 절삭 제조 기술)에서는 복잡한 형태의 3D 유로(conformal 3D flow paths)를 가진 부품을 생산하는 것이 거의 불가능합니다. '초고출력 UAM'을 사용하면 최신 팹리소닉 머신으로 알루미늄과 구리 부품을 만들 수 있어 열을 방출하면서 무게도 줄일 수 있습니다.

2. 여러 금속 접합 가능

UAM은 고열을 가하지 않으므로 사용된 금속의 미세 구조를 변경하지 않습니다. 그 결과, UAM은 다른 금속 AM 공정 기술에 내재된 불일치와 취성 구조 없이 이종 금속을 접합할 수 있습니다. 다양한 재료 조합이 가능합니다.

3. 센서와 회로 임베딩 가능

가장 놀랍게도 UAM 부품에는 내부 센서와 회로를 프린팅할 수도 있습니다. 이는 AM에서 독보적인 능력입니다. 기존 제조에서는 관련된 변형과 온도가 이러한 민감한 구성요소를 손상시키기 때문에 불가능합니다. UAM을 사용하면 센서를 금속 구조의 아무 곳에나 임베딩할 수 있어 의료, 공정 제어, 심지어 사물인터넷(IoT) 분야에 많은 가치 있는 응용이 가능합니다.

마지막으로 UAM은 SLS 같은 기술보다 홀아웃(hollowing)이 덜 필요하므로 재료 낭비도 적습니다.

그러나 이 모든 것에는 대가가 따릅니다. 앞서 언급했듯 팹리소닉이 판매하는 가장 작은 머신도 거의 20만 달러입니다. 더 큰 머신의 가격은 공개하지 않지만, 조직은 훨씬 더 높은 금액을 지불해야 할 것으로 예상됩니다.

언제 UAM을 사용해야 하는가?

다양한 금속을 접합할 수 있는 능력으로 UAM은 항공우주 및 자동차 산업에 명확한 응용 분야가 있습니다. 복잡한 냉각 채널을 가진 부품을 생산하는 능력은 이 산업들과 산업 제조, 의료 기기, 하이테크 장비 등 다른 분야에서 매우 가치가 있습니다.

또한 UAM이 내장 센서와 회로를 가진 부품을 생산할 수 있는 능력은 다양한 산업에서 스마트 IoT 스타일 장치를 생산하는 데 매우 바람직합니다. 많은 전통 산업이 이제 운영을 자율적으로 관리하기 위해 다양한 센서와 추적 장치를 사용하며, UAM은 종종 이러한 장치의 부품을 생산하는 데 사용됩니다.

물론 UAM이 아무리 가치 있어도, 제조업체가 정확하고 최적화된 3D 모델을 생산하는 능력에 크게 의존합니다. 그리고 많은 UAM 부품의 복잡성을 고려할 때, 이러한 모델을 생성하려면 강력한 소프트웨어가 필요합니다.

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