적층 제조 설명:프로세스, 응용 분야 및 재료 옵션

3D 프린팅이라고도 알려진 적층 제조는 전 세계 산업에 혁명을 일으키는 최첨단 제조 공정입니다. 재료를 제거하는 기존의 빼기 방법과 달리 디지털 모델을 사용하여 층별로 물체를 추가로 만드는 작업이 포함됩니다.

적층 제조를 사용하면 기존 기술로는 달성하기 어렵거나 불가능한 복잡한 형상을 만들 수 있습니다. 또한 플라스틱, 금속, 세라믹 및 복합재를 포함한 광범위한 재료 호환성을 제공하여 다양한 응용 분야에 대한 재료 선택의 유연성을 제공합니다. 적층 제조는 창의적이고 새로운 제품을 개발할 수 있는 기회를 제공할 뿐만 아니라 재료 사용의 효율성도 향상시킵니다.

이 기사에서는 적층 제조가 무엇인지, 그 공정, 용도, 재료, 장점 및 단점에 대해 논의할 것입니다.

적층 가공이란 무엇입니까?

3D 프린팅이라고도 알려진 적층 제조(AM)는 3D 디지털 컴퓨터 모델을 기반으로 객체를 층별로 구성하여 제조 방식에 혁신을 가져옵니다. 단단한 블록에서 재료를 깎아내는 기계 가공과 같은 절삭 방법과 달리 AM은 재료를 점진적으로 추가하여 원하는 모양을 형성합니다. 이 혁신적인 접근 방식은 비교할 수 없는 디자인 자유를 제공하여 복잡한 기하학적 구조와 맞춤화가 가능합니다.

AM은 다양한 기술을 포괄하며 각각 고유한 장점을 제공합니다. 필라멘트 증착에는 노즐을 통해 열가소성 물질을 녹이고 압출하는 작업이 포함되며, 레이저 소결에는 레이저를 사용하여 분말형 재료를 층별로 융합합니다. 또한 광조형술에서는 자외선 레이저나 LCD 스크린을 사용하여 광경화성 액체 수지를 정확한 모양으로 굳힙니다.

역사적으로 AM은 항공우주, 자동차, 의료, 소비재 등 다양한 산업 분야에 적용되어 왔습니다. 처음에는 신속한 프로토타이핑에 사용되었지만 생산 등급 구성 요소를 포함하도록 발전했습니다. 그러나 레이어별로 제조하면 인터페이스에 잠재적인 약점이 발생할 수 있으므로 신중한 설계 고려가 필요합니다.

AM의 가장 큰 강점 중 하나는 특정 요구 사항을 충족하는 맞춤형 솔루션을 제공하는 맞춤화 기능에 있습니다. 맞춤형 의료용 임플란트부터 복잡한 건축 모델까지 AM은 설계자와 엔지니어가 자신의 비전을 정확하고 효율적으로 구현하도록 지원합니다.

적층 가공을 발명한 사람은 누구인가요?

척 헐(Chuck Hull)은 광조형 기술의 발명으로 인해 적층 제조의 선구자로 종종 평가됩니다. 그러나 층별 제작이라는 개념은 그의 작업보다 먼저 시작되었습니다. 적층 가공의 뿌리는 1970년대로 거슬러 올라갑니다. 이 기간 동안 연구원과 엔지니어들은 물체를 층별로 만드는 다양한 기술을 탐구하기 시작했습니다. 현대 적층 제조의 주목할만한 선구자 중 하나는 일본 연구원인 히데오 코다마(Hideo Kodama)의 연구입니다.

Kodama의 1981년 논문은 3D 물체 제작을 위한 광중합체의 UV 응고를 자세히 설명하여 당시 제한적인 상업적 후속 조치에도 불구하고 기초를 마련했습니다. Carl Deckard는 고문 Joseph Beaman과 함께 1980년대 중반 텍사스 대학교 오스틴에서 선택적 레이저 소결(SLS)을 개척하여 분말 재료를 레이저와 융합하고 적층 제조를 발전시켰습니다.

적층 가공은 언제 시작되었나요?

적층 가공의 상용화는 1980년대 중반 Chuck Hull의 광조형 기술 발명으로 시작되었습니다. 1986년에 Hull은 이 시스템에 대한 특허를 받았고 그의 회사인 3D Systems Corporation이 설립되었습니다. 이후 1988년 3D Systems Corporation은 최초의 상업용 3D 프린터인 SLA-1을 출시했습니다.

같은 시기에 Exxon의 Skunkworks 프로젝트에서 3D 잉크젯 프린터가 개발되었지만 이 기술의 상용화는 1991년까지 이루어지지 않았습니다. 이러한 상용화 초기 단계에서는 3D Systems Corporation과 같은 회사가 등장하고 광조형 및 잉크젯 인쇄와 같은 프로세스가 시장에 도입되었습니다.

이 획기적인 발전은 후속 적층 제조 기술 및 기술의 토대를 마련했습니다. 수년에 걸쳐 적층 제조는 재료, 프로세스 및 응용 분야의 발전과 함께 크게 발전했습니다.

적층 가공 공정이란 무엇인가요?

적층 제조 과정에는 여러 단계가 포함됩니다:

1. CAD 프로그램을 사용하여 디지털 3D 모델을 만드는 것부터 시작하세요. 개체 형상이 포함된 STL 파일 형식으로 디자인을 저장합니다. STL 파일을 슬라이서 소프트웨어로 가져와 모델을 슬라이스하고 인쇄 경로를 생성합니다. 최적화를 위해 재료 유형 및 속도와 같은 인쇄 매개변수를 조정합니다. 슬라이스된 모델을 3D 프린터가 이해하는 언어인 G 코드로 변환합니다. 마지막으로 G 코드를 프린터로 보내 개체를 레이어별로 인쇄하도록 지시합니다.
2. 온도, 속도, 레이어 높이 설정을 보정하고 G-코드 파일을 프린터에 다운로드하여 3D 프린터를 준비합니다.
3. 선택한 재료를 적층 인쇄 장치에 로드합니다. 3D 프린팅에 사용할 수 있는 재료에는 복합재, 플라스틱, 금속, 세라믹, 종이는 물론 세포나 단백질과 같은 생물학적 재료도 포함됩니다.
4. 인쇄를 시작합니다. 프린터는 각 연속 레이어에 대한 G 코드 지침을 해석하여 해당 레이어에 필요한 정확한 위치에 재료를 증착하거나 경화합니다.
5. 레이어 간의 적절한 결합을 보장합니다. 이는 단순히 융합 증착 모델링(FDM)과 같은 일부 기술에서는 인쇄 프로세스의 일부로 발생할 수 있지만 다른 기술에서는 별도의 소결 또는 경화 단계가 필요할 수 있습니다.
6. 각 레이어가 구성될 때 프린트된 개체가 중단 없이 진행되도록 합니다.
7. 서포트 제거를 포함하여 필요한 마무리 작업을 수행합니다. 이는 처짐이나 변형을 방지하기 위해 인쇄 중에 서포트가 사용되는 돌출부 또는 복잡한 형상이 있는 디자인에 필요할 수 있습니다. 또한 최종 제품을 얻으려면 표면 개선, 기계 가공 또는 추가 경화가 필요할 수 있습니다.
8. 필요에 따라 페인팅, 도금, 다른 구성요소와의 조립 등 최종 마무리 작업이나 처리를 적용합니다.

적층 가공의 용도는 무엇입니까?

오늘날 적층 제조는 많은 산업 분야에서 제품 제조 공정의 필수적인 부분입니다. 다음을 포함하여 여러 가지 용도로 사용할 수 있습니다.

1. 설계 검증, 기능 테스트, 개념 검증을 위한 프로토타입의 빠르고 비용 효율적인 생산을 촉진합니다.
2. 의료용 임플란트, 치과 보철물, 소비재 등 고도로 맞춤화되고 개인화된 제품이 가능합니다.
3. 적층 가공을 사용하면 기존 방법으로는 어려운 복잡한 형상을 생산할 수 있습니다. 항공우주 분야에서는 내부 냉각 채널이 있는 터빈 블레이드가 엔진 효율을 향상시킵니다. 의학에서는 맞춤형 임플란트가 개인의 해부학적 구조에 적합하여 더 빠른 치유를 촉진합니다. 자동차 부품은 성능을 향상시키는 가볍고 복잡한 디자인의 이점을 누리고 있습니다.
4. 값비싼 툴링 없이 소규모 배치 또는 맞춤형 제조를 용이하게 하여 민첩한 제조를 가능하게 하고 재고 비용을 절감합니다.
5. 의료 분야에서 환자 맞춤형 임플란트, 보철 장치, 수술 준비 및 교육을 위한 해부학적 모형, 수술 보조용 수술 가이드 등을 제조하는 데 활용됩니다.
6. 강도 대 중량 비율이 향상되고 맞춤 설정 옵션을 갖춘 경량 부품의 프로토타입 제작, 툴링 및 생산에 사용됩니다.
7. 3D 프린팅은 교육 기관 및 연구 시설에서 다양한 분야의 교육, 실험 및 새로운 응용 분야 탐색을 위해 활용될 수 있습니다.
8. 폐기물, 에너지 소비, 탄소 배출을 줄여 지속 가능한 생산 기회를 제공합니다.